С развитием современной науки и техники используется все больше конструкционных материалов с высокой твердостью, в то время как традиционная технология токарной обработки не компетентна или вообще не может обеспечить обработку некоторых материалов высокой твердости. Твердый сплав с покрытием, керамика, PCBN и другие сверхтвердые инструментальные материалы обладают высокой твердостью при высоких температурах, износостойкостью и термохимической стабильностью, что обеспечивает основные предпосылки для резки материалов высокой твердости и дает значительные преимущества в производстве. Материал, из которого изготовлен сверхтвердый инструмент, его структура и геометрические параметры являются основными элементами для реализации твердого точения. Поэтому выбор сверхтвердого инструментального материала и разработка разумной конструкции и геометрических параметров инструмента имеют решающее значение для достижения стабильного твердого точения!
(1) Твердый сплав с покрытием
Нанесите один или несколько слоев TiN, TiCN, TiAlN и Al3O2 с хорошей износостойкостью на твердосплавные инструменты с хорошей вязкостью и толщиной покрытия 2-18 мкм. Покрытие обычно имеет гораздо меньшую теплопроводность, чем основа инструмента и материал заготовки, что ослабляет термическое воздействие основы инструмента; С другой стороны, это может эффективно улучшить трение и адгезию в процессе резки и уменьшить выделение тепла при резке.
Хотя покрытие PVD имеет множество преимуществ, некоторые покрытия, такие как Al2O3 и алмаз, имеют тенденцию использовать технологию покрытия CVD. Al2O3 — это своего рода покрытие с высокой термостойкостью и стойкостью к окислению, которое может отделять тепло, выделяемое при резке, от конкретного инструмента. Технология покрытия CVD также может объединить преимущества различных покрытий для достижения наилучшего эффекта резки и удовлетворения потребностей резки.
По сравнению с твердосплавными инструментами, твердосплавные инструменты с покрытием значительно улучшились по прочности, твердости и износостойкости. При токарной обработке заготовки с твердостью HRC45~55 недорогой твердый сплав с покрытием позволяет осуществлять высокоскоростную токарную обработку. В последние годы некоторые производители улучшили характеристики инструментов с покрытием за счет улучшения материалов покрытия и других методов. Например, некоторые производители в США и Японии используют швейцарский материал покрытия AlTiN и новую запатентованную технологию покрытия для производства лезвий с покрытием твердостью до HV4500~4900, которые могут резать штамповую сталь HRC47~58 со скоростью 498,56 м/мин. . При температуре поворота до 1500~1600°С твердость по-прежнему не снижается и не окисляется. Срок службы лезвия в четыре раза больше, чем у лезвия с обычным покрытием, при этом стоимость составляет всего 30%, а адгезия хорошая.
(2) Керамический материал
Благодаря постоянному совершенствованию состава, структуры и процесса прессования, особенно развитию нанотехнологий, керамические инструментальные материалы позволяют повысить прочность керамических инструментов. В ближайшем будущем керамика может совершить третью революцию в резании после быстрорежущей стали и твердого сплава. Керамические инструменты обладают такими преимуществами, как высокая твердость (HRA91~95), высокая прочность (прочность на изгиб 750~1000 МПа), хорошая износостойкость, хорошая химическая стабильность, хорошая адгезионная стойкость, низкий коэффициент трения и низкая цена. Мало того, керамические инструменты также обладают высокой высокотемпературной твердостью, которая достигает HRA80 при 1200°C.
При обычной резке керамический инструмент имеет очень высокую долговечность, а скорость резания может быть в 2–5 раз выше, чем у твердосплавного инструмента. Он особенно подходит для обработки материалов высокой твердости, чистовой обработки и высокоскоростной обработки. Он может резать различную закаленную сталь и закаленный чугун с твердостью до HRC65. Обычно используют керамику на основе оксида алюминия, керамику на основе нитрида кремния, металлокерамику и керамику, упрочненную нитевидными кристаллами.
Керамические инструменты на основе оксида алюминия имеют более высокую красную твердость, чем твердый сплав. Как правило, режущая кромка не вызывает пластической деформации в условиях высокоскоростного резания, но ее прочность и вязкость очень низки. Чтобы улучшить его ударную вязкость и ударопрочность, можно добавить ZrO или смесь TiC и TiN. Другой метод — добавить усы из чистого металла или карбида кремния. Помимо высокой красной твердости, керамика на основе нитрида кремния также обладает хорошей ударной вязкостью. По сравнению с керамикой на основе оксида алюминия ее недостатком является то, что при обработке стали легко возникает диффузия высоких температур, что ухудшает износ инструмента. Керамика на основе нитрида кремния в основном применяется для прерывистого точения и фрезерования серого чугуна.
Кермет представляет собой разновидность материала на основе карбида, в котором TiC является основной твердой фазой (0,5-2 мкм). Они сочетаются со связками Co или Ti и аналогичны твердосплавным инструментам, но имеют низкое сродство, хорошее трение и хорошие износостойкость. Он может выдерживать более высокие температуры резания, чем обычный твердый сплав, но ему не хватает ударопрочности, как у твердого сплава, прочности при тяжелом резании и прочности при низкой скорости и большой подаче.
(3) Кубический нитрид бора (CBN)
CBN уступает только алмазу по твердости и износостойкости и обладает превосходной твердостью при высоких температурах. По сравнению с керамикой ее термостойкость и химическая стабильность немного хуже, но ударная вязкость и устойчивость к раздавливанию лучше. Он широко применяется для резки закаленной стали (HRC ≥ 50), перлитного серого чугуна, закаленного чугуна и суперсплавов. По сравнению с твердосплавными инструментами скорость резания может быть увеличена на порядок.
Композитный инструмент из поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN) с высоким содержанием CBN обладает высокой твердостью, хорошей износостойкостью, высокой прочностью на сжатие и хорошей ударной вязкостью. Его недостатками являются плохая термическая стабильность и низкая химическая инертность. Подходит для резки жаропрочных сплавов, чугуна и спеченных металлов на основе железа. Содержание частиц CBN в инструментах из PCBN низкое, а твердость инструментов из PCBN, использующих в качестве связующего керамику, низкая, но она компенсирует плохую термическую стабильность и низкую химическую инерцию первого материала и подходит для резки закаленной стали.
При резке серого чугуна и закаленной стали можно выбрать керамический инструмент или инструмент из КНБ. По этой причине необходимо провести анализ затрат и выгод и качества обработки, чтобы определить, какой из них выбрать. Если твердость резания ниже HRC60 и используется небольшая подача, лучшим выбором будет керамический инструмент. Инструменты из PCBN подходят для резки заготовок с твердостью выше HRC60, особенно для автоматической и высокоточной обработки. Кроме того, остаточные напряжения на поверхности заготовки после резания PCBN-инструментом также относительно стабильны, чем керамическим инструментом при условии одинакового износа задней поверхности.
При использовании инструмента PCBN для сухой резки закаленной стали также следует соблюдать следующие принципы: выбирать как можно большую глубину резания при условии, что позволяет жесткость станка, чтобы тепло, выделяемое в зоне резания, могло смягчиться. металл в передней части кромки локально, что может эффективно снизить износ инструмента PCBN. Кроме того, при использовании небольшой глубины резания следует также учитывать, что плохая теплопроводность инструмента из PCBN может привести к тому, что тепло в зоне резания будет слишком поздно рассеиваться, а зона сдвига также может вызвать очевидный эффект размягчения металла. износ режущей кромки.
2. Конструкция лезвия и геометрические параметры сверхтвердого инструмента.
Разумное определение формы и геометрических параметров инструмента очень важно для обеспечения полной реализации режущих характеристик инструмента. Что касается прочности инструмента, прочность кончика инструмента различных форм лезвий от высокой до низкой составляет: круглая, алмазная 100 °, квадратная, алмазная 80 °, треугольная, алмазная 55 °, алмазная 35 °. После выбора материала лезвия следует выбрать форму лезвия с наибольшей прочностью. Лезвия для жесткой обработки также следует выбирать как можно большего размера, а грубую обработку следует выполнять с помощью круглых лезвий с большим радиусом дуги на конце. Радиус дуги вершины при чистовой обработке составляет около 0,8 мкм.
Стальная стружка из закаленной стали представляет собой красные и мягкие ленты, очень хрупкие, легко ломаются и не связываются. Режущая поверхность из закаленной стали имеет высокое качество и, как правило, не вызывает накопления стружки, но сила резания велика, особенно радиальная сила резания больше, чем основная сила резания. Поэтому инструмент должен использовать отрицательный передний угол (угол ≥ - 5°) и большой задний угол (ао=10°~15°). Основной угол отклонения зависит от жесткости станка, обычно составляет 45–60 °, чтобы уменьшить вибрацию заготовки и инструмента.
Время публикации: 24 февраля 2023 г.