RU153821U1

RU153821U1 - PROTECTIVE COATED MILL BODY

Info

Publication number: RU153821U1
Application number: RU2014139322/02U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Москвитин; Александр Яковлевич Колпаков; Анатолий Иванович Маслов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "СКИФ-М"
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2015-08-10

Abstract

1. Корпус фрезы с защитным покрытием с низким коэффициентом трения по алюминиевым сплавам, содержащим слой из аморфного алмазоподобного углеродного материала, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено из трех слоев вакуумно-дуговым распылением, при этом оно содержит антикоррозионный слой на основе хрома, нанесенный на корпус фрезы, и переходный слой, расположенный между антикоррозионным слоем и упомянутым слоем из аморфного алмазоподобного углеродного материала.2. Корпус фрезы по п. 1, отличающийся тем, что переходный слой выполнен из титана.3. Корпус фрезы по п. 1, отличающийся тем, что переходный слой выполнен из циркония.4. Корпус фрезы по п. 1, отличающийся тем, что в качестве аморфного алмазоподобного углеродного материала используют аморфный алмазоподобный углерод с легирующей добавкой вольфрама в количестве 0,5-2,0%.1. The cutter body with a protective coating with a low coefficient of friction for aluminum alloys containing a layer of amorphous diamond-like carbon material, characterized in that the protective coating is made of three layers by vacuum-arc spraying, while it contains a chromium-based anti-corrosion layer deposited on a cutter body, and a transition layer located between the anticorrosion layer and said layer of amorphous diamond-like carbon material. 2. The cutter body according to claim 1, characterized in that the transition layer is made of titanium. 3. The cutter body according to claim 1, characterized in that the transition layer is made of zirconium. 4. The cutter body according to claim 1, characterized in that amorphous diamond-like carbon with an alloying tungsten additive in an amount of 0.5-2.0% is used as an amorphous diamond-like carbon material.

Description

КОРПУС ФРЕЗЫ С ЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ PROTECTIVE COATED MILL BODY

Полезная модель относится к инструментам для металлообработки, а более точно - к корпусу фрезы с защитным покрытием, являющимся частью сборной конструкции фрезы с механически закрепленными на нем режущими пластинами, применяемой для обработки алюминиевых сплавов.The utility model relates to tools for metalworking, and more precisely to the case of the cutter with a protective coating, which is part of the precast design of the cutter with cutting plates mechanically fixed to it, used for processing aluminum alloys.

Обработка деталей сложной формы, таких как направляющие, колесные пары, конструкционные детали аэрокосмической отрасли широко используется в промышленности. При этом наиболее распространенным инструментом являются фрезы. Сборные конструкции фрез с механически закрепленными в корпусе инструмента режущими пластинами обладают рядом преимуществ, а именно, позволяют повысить производительность обработки при снижении стоимости инструмента. Наряду с режущими пластинами на эффективность применения этого вида инструментов влияет конструкция корпуса фрезы, материал из которого он изготовлен, а также методы его обработки, в том числе поверхностные методы обработки. Прочностные характеристики корпуса фрезы должны дополняться повышенной твердостью поверхности, низким коэффициентом трения относительно обрабатываемого материала, высокой стойкостью к коррозии и т. д.The processing of parts of complex shapes such as guides, wheelsets, structural parts of the aerospace industry is widely used in industry. In this case, the most common tool are cutters. Prefabricated cutter designs with cutting inserts mechanically fixed in the tool body have a number of advantages, namely, they allow to increase processing productivity while reducing tool costs. Along with cutting inserts, the design of the cutter body, the material from which it is made, as well as its processing methods, including surface processing methods, affect the effectiveness of this type of tool. The strength characteristics of the cutter body must be supplemented by increased surface hardness, low coefficient of friction with respect to the processed material, high resistance to corrosion, etc.

Высокие требования к поверхности корпуса фрезы предъявляются при обработке материалов автомобильной и аэрокосмической промышленности, в частности сплавов алюминия. Повышенная адгезия алюминия к материалу корпуса может приводить к налипанию стружки на поверхность корпуса фрезы, что ухудшает процесс удаления стружки из зоны резания и вызывает дополнительный нагрев поверхности корпуса фрезы.High demands are made on the surface of the mill body when processing materials from the automotive and aerospace industries, in particular aluminum alloys. Increased adhesion of aluminum to the material of the housing can lead to the sticking of chips to the surface of the mill body, which affects the process of removing chips from the cutting zone and causes additional heating of the surface of the mill body.

Стандартным вариантом обработки корпуса фрезы является воронение, которое используется, к примеру, компанией Pramet Tools (см. Черненко Я. Фрезы Pramet для черновой обработки //Оборудование и инструмент для профессионалов. Металлообработка. - 2010. - №4. - С.40-41.) Недостатком данного технического решения является недостаточная твердость поверхности корпуса фрезы.The standard option for machining the cutter body is burnishing, which is used, for example, by Pramet Tools (see Chernenko J. Pramet cutters for roughing // Equipment and tools for professionals. Metalworking. - 2010. - No. 4. - P.40- 41.) The disadvantage of this technical solution is the insufficient hardness of the surface of the mill body.

Компания TaeguТec для корпусов фрез применяет специальное покрытие Nikotec на никелевой основе, которое дополнительно защищает от коррозии (см. http://www.tauegutec.com), недостатком в данном случае является также недостаточно высокая твердость этого покрытия и высокий коэффициент трения по алюминиевым сплавам, что приводит к налипанию стружки на поверхность корпуса фрезы.TaeguTec company for milling cutters uses a special nickel-based coating Nikotec, which additionally protects against corrosion (see http://www.tauegutec.com ), the disadvantage in this case is also the insufficiently high hardness of this coating and high coefficient of friction for aluminum alloys , which leads to the buildup of chips on the surface of the mill body.

Из существующего уровня техники известно упрочнение деталей путем нанесения покрытий с использованием процесса CVD, который включает в себя нанесение поверхностного слоя на подложку в атмосфере химически активного газа при нагреве детали до температуры 900 - 1200°С.It is known from the prior art to harden parts by coating using the CVD process, which involves applying a surface layer to a substrate in a reactive gas atmosphere by heating the part to a temperature of 900-1200 ° C.

(патент CH452205, опубликов. 1968-05-31, интернет-ресурс htt). Недостатком этого технического решения является высокая температура процесса, приводящая к разупрочнению основы.(patent CH452205, published. 1968-05-31, Internet resource htt). The disadvantage of this technical solution is the high temperature of the process, leading to a softening of the base.

Известен также инструмент с покрытием, которое формируется при более низкой температуре, не превышающей 600˚С. При этом используют импульсный тлеющий разряд при давлении 10-1000Па и высоком напряжении на детали в диапазоне 200-900 В (патент US5093151, опубл. 1992-03-03). Недостатком этого технического решения является опасность возникновения микродуг на поверхности детали и локальная эрозия поверхности. Кроме того, упрочненный слой обладает неоднородной твердостью по поверхности деталей сложной формы и повышенной хрупкостью. Возможно также изменение размеров, вызванных напряжениями в поверхностном слое.Also known is a tool with a coating, which is formed at a lower temperature not exceeding 600 ° C. In this case, a pulsed glow discharge is used at a pressure of 10-1000 Pa and a high voltage on the part in the range of 200-900 V (patent US5093151, publ. 1992-03-03). The disadvantage of this technical solution is the danger of microarcs on the surface of the part and local surface erosion. In addition, the hardened layer has a non-uniform hardness on the surface of parts of complex shape and increased fragility. It is also possible to resize due to stresses in the surface layer.

Известно техническое решение - корпус режущего инструмента, полученный механической обработкой с последующей подготовкой для нанесения дисульфида вольфрама и защитным покрытием дисульфида вольфрама, позволяющим увеличить срок службы режущего инструмента, увеличить режимы обработки и существенно уменьшить проблемы, связанные с плохим удалением стружки и эрозией корпуса инструмента. (заявка WO 2004/092429 A3, опубл. 28.10.2004). A technical solution is known - a cutting tool body obtained by machining followed by preparation for applying tungsten disulfide and a protective coating of tungsten disulfide, which allows to increase the life of the cutting tool, increase processing modes and significantly reduce problems associated with poor chip removal and erosion of the tool body. (application WO 2004/092429 A3, publ. 28.10.2004).

Недостатком данного технического решения является высокий коэффициент трения этого покрытия по сплавам алюминия, что приводит к плохому удалению стружки из зоны резания, эрозии поверхности корпуса режущего инструмента и нежелательному дополнительному разогреву инструмента.The disadvantage of this technical solution is the high coefficient of friction of this coating on aluminum alloys, which leads to poor removal of chips from the cutting zone, erosion of the surface of the cutting tool body and undesirable additional heating of the tool.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является режущий инструмент для обработки металлических заготовок по международной заявке PCT/US 2008/080281, опубликованной 07.05.2009.The closest technical solution selected for the prototype is a cutting tool for processing metal billets according to the international application PCT / US 2008/080281, published on 05/07/2009.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения весь корпус инструмента выполнен из твердого металла, такого, как быстрорежущая сталь, инструментальная сталь, или карбид вольфрама, и содержит покрытие в виде пленки толщиной в диапазоне от одного до трех микрон из гидрогенизированного алмазоподобного углеродного материала или нанокомпозита карбид вольфрама/углерод. Такие покрытия характеризуются низким коэффициентом трения, за счет низкой адгезии к нему алюминиевой стружки, которая образуется при резке алюминиевых сплавов. Недостатком данного изобретения является недостаточная износостойкость покрытия.In one embodiment of the present invention, the entire tool body is made of hard metal, such as high speed steel, tool steel, or tungsten carbide, and contains a film-like coating in the range of one to three microns of hydrogenated diamond-like carbon material or a carbide nanocomposite tungsten / carbon. Such coatings are characterized by a low coefficient of friction, due to the low adhesion of aluminum chips to it, which is formed when cutting aluminum alloys. The disadvantage of this invention is the lack of wear resistance of the coating.

Задачей, на которую направлено данное изобретение, является устранение вышеназванного недостатка.The objective of the invention is to remedy the above drawback.

Технический результат - повышение износостойкости покрытия за счет исключения или существенного уменьшения процесса отслаивания слоя алмазоподобного углерода в процессе работы.The technical result is an increase in the wear resistance of the coating due to the elimination or significant reduction of the process of exfoliation of the layer of diamond-like carbon in the process.

Данная задача решается и технический результат достигается благодаря тому, что заявленное устройство корпус фрезы с защитным покрытием с низким коэффициентом трения по алюминиевым сплавам из аморфного алмазоподобного углеродного материала, содержит защитное покрытие, выполненное из трех слоев вакуумно-дуговым распылением. При этом, непосредственно на корпусе фрезы расположен антикоррозионный слой на основе хрома и переходный слой, расположенный между антикоррозионным слоем и упомянутым слоем из аморфного алмазоподобного углеродного материала. При этом переходный слой может быть выполнен из титана или циркония, а в качестве аморфного алмазоподобного углеродного материала может быть также использован аморфный алмазоподобный углерод с легирующей добавкой вольфрама в количестве 0,5-2,0%.This problem is solved and the technical result is achieved due to the fact that the inventive device of the cutter body with a protective coating with a low coefficient of friction for aluminum alloys made of amorphous diamond-like carbon material contains a protective coating made of three layers by vacuum-arc spraying. At the same time, a chromium-based anticorrosion layer and a transition layer located between the anticorrosion layer and the said layer of amorphous diamond-like carbon material are located directly on the mill body. In this case, the transition layer can be made of titanium or zirconium, and amorphous diamond-like carbon with an alloying addition of tungsten in an amount of 0.5-2.0% can also be used as an amorphous diamond-like carbon material.

Использование в качестве слоя с низким коэффициентом трения аморфного алмазоподобного углерода или аморфного алмазоподобного углерода с легирующей добавкой вольфрама, позволяет существенно уменьшить взаимодействие корпуса фрезы со стружкой и соответственно ее налипание на поверхность корпуса. Переходный слой обеспечивает высокую адгезию слоя с низким коэффициентом трения и слоя антикоррозионного. А антикоррозионный слой на основе хрома позволяет снизить коррозионные процессы, которые, как правило, интенсифицируются при нагреве в процессе работы инструмента, на границе корпус фрезы - защитное покрытие.The use of amorphous diamond-like carbon or amorphous diamond-like carbon with a dopant tungsten as a layer with a low coefficient of friction can significantly reduce the interaction of the mill body with the chip and, accordingly, its adhesion to the surface of the body. The transition layer provides high adhesion of the layer with a low coefficient of friction and the anti-corrosion layer. And the anticorrosive layer based on chromium allows to reduce the corrosion processes, which, as a rule, intensify when heated during the operation of the tool, at the border of the cutter body - a protective coating.

Фрагмент заявляемого корпуса режущего инструмента с многослойным покрытием изображен на фигуре 1.A fragment of the inventive cutting tool body with a multilayer coating is depicted in figure 1.

Корпус режущего инструмента с многослойным покрытием содержит непосредственно корпус 1, на котором распложен первый антикоррозионный слой 2, выполненный как вакуумное покрытие на основе хрома. Второй переходный слой 3, выполненный из титана или циркония, нанесен на антикоррозионный слой 2. Третий слой 4 с низким коэффициентом трения по алюминиевым сплавам, нанесенный на переходный слой 3, представляет собой аморфный алмазоподобный углерод или аморфный алмазоподобный углерод с легирующей добавкой вольфрама в количестве в 0,5-2,0%, что позволяет сохранить гладкость покрытия по мере увеличения толщины указанного слоя.The case of the cutting tool with a multilayer coating directly contains the body 1, on which the first anticorrosion layer 2 is arranged, made as a vacuum coating based on chromium. The second transition layer 3, made of titanium or zirconium, is deposited on the anti-corrosion layer 2. The third layer 4 with a low coefficient of friction for aluminum alloys, deposited on the transition layer 3, is an amorphous diamond-like carbon or amorphous diamond-like carbon with a tungsten dopant in an amount of 0.5-2.0%, which allows you to maintain smoothness of the coating as the thickness of the specified layer increases.

Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention

Корпус 1 фрезы после предварительной подготовки, включающей обезжиривание, загружают в вакуумную камеру установки для нанесения сверхтвердых покрытий, например, установку вакуумную для нанесения алмазоподобных углеродных покрытий и их комбинаций с металлами на режущие инструменты ТО-УВНИПА-1-011, наносят первый слой 2 антикоррозионного покрытия на основе хрома толщиной 0,5-1,0 мкм путем вакуумно-дугового распыления катода, изготовленного из хрома. Затем наносят переходной слой 3 на основе титана или циркония толщиной 0,1-0,2 мкм, при этом используют катоды из титана или циркония. После этого проводят нанесение слоя 4 толщиной 1,0-1,5 мкм с низким коэффициентом трения по алюминиевым сплавам на основе аморфного алмазоподобного углерода или аморфного алмазоподобного углерода с добавлением вольфрама в количестве в 0,5 - 2,0%. При этом используют импульсное вакуумно-дуговое распыление графитового катода или графитового катода с добавлением вольфрама.The mill body 1 after preliminary preparation, including degreasing, is loaded into the vacuum chamber of a superhard coating machine, for example, a vacuum installation for applying diamond-like carbon coatings and their combinations with metals, to the TO-UVNIPA-1-011 cutting tools, the first layer 2 of anti-corrosion is applied coatings based on chromium with a thickness of 0.5-1.0 microns by vacuum arc spraying a cathode made of chromium. Then, a transition layer 3 based on titanium or zirconium with a thickness of 0.1-0.2 μm is applied, while cathodes made of titanium or zirconium are used. After this, layer 4 is applied with a thickness of 1.0-1.5 μm with a low coefficient of friction on aluminum alloys based on amorphous diamond-like carbon or amorphous diamond-like carbon with the addition of tungsten in an amount of 0.5 - 2.0%. In this case, pulsed vacuum-arc sputtering of a graphite cathode or graphite cathode with the addition of tungsten is used.

Примеры конкретного выполненияCase Studies

1. Режущий инструмент, в частности сборную конструкцию фрезы со сменными пластинами и корпусом, изготовленным из стали 40Х с защитным покрытием согласно данному изобретению, в котором слой 2 антикоррозионного покрытия на основе хрома выполнен толщиной 0,5 мкм, слой 3 выполнен из титана толщиной 0,1 мкм, а слой 4 с низким коэффициентом трения по алюминиевым сплавам выполнен на основе аморфного алмазоподобного углерода слой 2 антикоррозионного покрытия на основе хрома толщиной выполнен 0,5 мкм, использовали для обработки алюминиевого сплава В95.1. A cutting tool, in particular a prefabricated cutter with interchangeable inserts and a housing made of 40X steel with a protective coating according to this invention, in which the chromium-based anti-corrosion coating layer 2 is made with a thickness of 0.5 μm, the layer 3 is made of titanium with a thickness of 0 , 1 μm, and layer 4 with a low coefficient of friction for aluminum alloys is made on the basis of amorphous diamond-like carbon layer 2 of a chromium-based anticorrosive coating with a thickness of 0.5 μm was used to process the B95 aluminum alloy.

2. Режущий инструмент, в частности сборную конструкцию фрезы со сменными пластинами и корпусом, изготовленным из стали 40Х с защитным покрытием согласно данному изобретению, в котором слой 2 антикоррозионного покрытия на основе хрома выполнен толщиной 0,7 мкм, слой 3 выполнен толщиной 0,1 мкм из циркония, а слой 4 с низким коэффициентом трения по алюминиевым сплавам толщиной 1,0 мкм выполнен на основе аморфного алмазоподобного углерода с добавлением вольфрама в количестве 0,5%, использовали для обработки алюминиевого сплава В95.2. A cutting tool, in particular a prefabricated cutter with interchangeable inserts and a housing made of 40X steel with a protective coating according to this invention, in which the chromium-based anti-corrosion coating layer 2 is made with a thickness of 0.7 μm, the layer 3 is made with a thickness of 0.1 μm from zirconium, and layer 4 with a low coefficient of friction for aluminum alloys with a thickness of 1.0 μm is made on the basis of amorphous diamond-like carbon with the addition of tungsten in an amount of 0.5%, was used to process aluminum alloy B95.

3. Режущий инструмент, в частности сборную конструкцию фрезы со сменными пластинами и корпусом, изготовленным из стали 40Х с защитным покрытием согласно данному изобретению, в котором слой 2 антикоррозионного покрытия на основе хрома выполнен толщиной 1,0 мкм, слой 3 выполнен толщиной 0,2 мкм из титана, а слой 4 с низким коэффициентом трения по алюминиевым сплавам толщиной 1,25 мкм выполнен на основе аморфного алмазоподобного углерода с добавлением вольфрама в количестве 1,0%, использовали для обработки алюминиевого сплава В95.3. A cutting tool, in particular a prefabricated cutter with interchangeable inserts and a housing made of 40X steel with a protective coating according to this invention, in which the chromium-based anti-corrosion coating layer 2 is 1.0 μm thick, the layer 3 is 0.2 thick μm from titanium, and layer 4 with a low coefficient of friction for aluminum alloys with a thickness of 1.25 μm is made on the basis of amorphous diamond-like carbon with the addition of tungsten in an amount of 1.0%, was used to process aluminum alloy B95.

4. Режущий инструмент, в частности сборную конструкцию фрезы со сменными пластинами и корпусом, изготовленным из стали 40Х с защитным покрытием согласно данному изобретению, в котором слой 2 антикоррозионного покрытия на основе хрома выполнен толщиной 1,0 мкм, слой 3 выполнен толщиной 0,2 мкм из циркония, а слой 4 с низким коэффициентом трения по алюминиевым сплавам толщиной 1,5 мкм выполнен на основе аморфного алмазоподобного углерода с добавлением вольфрама в количестве 2,0%, использовали для обработки алюминиевого сплава В95.4. A cutting tool, in particular a prefabricated cutter with interchangeable inserts and a housing made of 40X steel with a protective coating according to this invention, in which the chromium-based anti-corrosion coating layer 2 is 1.0 μm thick, the layer 3 is 0.2 thick μm from zirconium, and layer 4 with a low coefficient of friction for aluminum alloys with a thickness of 1.5 μm is made on the basis of amorphous diamond-like carbon with the addition of tungsten in an amount of 2.0%, was used to process aluminum alloy B95.

Предварительно исследовали внешний вид поверхности корпуса. После проведенных испытаний повторяли эти исследования.Previously investigated the appearance of the surface of the housing. After the tests, these studies were repeated.

В результате испытаний установлено, что во всех случаях по примерам 1-4 налипание стружки на корпус фрезы существенно уменьшено, сход стружки улучшен, т.е. исключен эффект пакетирования стружки. Следов задиров на поверхности корпуса фрезы не обнаружено. Установлено уменьшение эрозии поверхности корпуса режущего инструмента и нежелательного разогрева инструмента, что в конечном итоге позволяет повысить срок службы покрытия корпуса фрезы и режимы обработки заготовок из алюминиевых сплавов. Дополнительно зафиксировано улучшение качества обрабатываемой поверхности обработанной детали, что связано с улучшением процесса удаления стружки из зоны резания.As a result of the tests, it was found that in all cases according to examples 1-4, the adherence of the chips to the cutter body is significantly reduced, the chip yield is improved, i.e. the effect of chip stacking is excluded. No scoring marks were found on the surface of the cutter body. A reduction in the erosion of the surface of the cutting tool body and unwanted heating of the tool is established, which ultimately allows to increase the service life of the coating of the cutter body and the processing modes of workpieces made of aluminum alloys. Additionally, an improvement in the quality of the machined surface of the machined part was recorded, which is associated with an improvement in the process of removing chips from the cutting zone.

Таким образом, поставленная цель и заявленный технический результат по повышению износостойкости покрытия на корпусе фрезы для обработки алюминиевого сплава достигнуты.Thus, the goal and the claimed technical result to increase the wear resistance of the coating on the cutter body for processing an aluminum alloy are achieved.

Claims

1. Корпус фрезы с защитным покрытием с низким коэффициентом трения по алюминиевым сплавам, содержащим слой из аморфного алмазоподобного углеродного материала, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено из трех слоев вакуумно-дуговым распылением, при этом оно содержит антикоррозионный слой на основе хрома, нанесенный на корпус фрезы, и переходный слой, расположенный между антикоррозионным слоем и упомянутым слоем из аморфного алмазоподобного углеродного материала.1. The cutter body with a protective coating with a low coefficient of friction for aluminum alloys containing a layer of amorphous diamond-like carbon material, characterized in that the protective coating is made of three layers by vacuum arc spraying, while it contains a chromium-based anticorrosive layer deposited on the cutter body, and a transition layer located between the anticorrosion layer and said layer of amorphous diamond-like carbon material.

2. Корпус фрезы по п. 1, отличающийся тем, что переходный слой выполнен из титана.2. The cutter body according to claim 1, characterized in that the transition layer is made of titanium.

3. Корпус фрезы по п. 1, отличающийся тем, что переходный слой выполнен из циркония.3. The cutter body according to claim 1, characterized in that the transition layer is made of zirconium.

4. Корпус фрезы по п. 1, отличающийся тем, что в качестве аморфного алмазоподобного углеродного материала используют аморфный алмазоподобный углерод с легирующей добавкой вольфрама в количестве 0,5-2,0%.

4. The cutter body according to claim 1, characterized in that amorphous diamond-like carbon with an alloying tungsten additive in an amount of 0.5-2.0% is used as an amorphous diamond-like carbon material.