Bei der Bearbeitung von gehärtetem Stahl ist es sehr wichtig, das richtige Schneidwerkzeug auszuwählen. Mit seiner überlegenen Schneidfähigkeit und starken Verschleißfestigkeit ist das Schaftfräser kann bei der Bearbeitung von gehärtetem Stahl mit höherer Härte eine stabile Schneidwirkung erzielen. Um die Bearbeitungsgenauigkeit sicherzustellen und die Lebensdauer des Werkzeugs zu verlängern, wird empfohlen, beschichtete Schaftfräser zu verwenden. Die Beschichtung dieser Art von Werkzeug kann Reibung und Wärmestau wirksam reduzieren und gleichzeitig die Verschleißfestigkeit des Werkzeugs verbessern. Beim Schneidprozess sind angemessene Schneidparameter, die Verwendung von Schneidflüssigkeit und die regelmäßige Wartung des Werkzeugs wichtige Faktoren, um die Bearbeitungsqualität sicherzustellen und die Produktionseffizienz zu verbessern.
Was ist gehärteter Stahl
Bei der Bearbeitung von gehärtetem Stahl ist die Wahl des richtigen Schneidwerkzeugs entscheidend. Mit seiner überlegenen Schneidfähigkeit und starken Verschleißfestigkeit ist das Schaftfräser kann bei der Bearbeitung von gehärtetem Stahl mit höherer Härte stabile Schneidergebnisse liefern. Um die Bearbeitungsgenauigkeit sicherzustellen und die Lebensdauer des Werkzeugs zu verlängern, wird empfohlen, beschichtete Schaftfräser zu verwenden. Die Beschichtung dieses Werkzeugs kann Reibung und Wärmestau wirksam reduzieren und gleichzeitig die Verschleißfestigkeit des Werkzeugs verbessern. Beim Schneidprozess sind angemessene Schneidparameter, die Verwendung von Schneidflüssigkeiten und die regelmäßige Wartung der Werkzeuge wichtige Faktoren, um die Bearbeitungsqualität sicherzustellen und die Produktionseffizienz zu verbessern.
- Hohe Härte, hohe Festigkeit und nahezu keine Plastizität sind die wichtigsten Schneideigenschaften von gehärtetem Stahl. Wenn die Härte von gehärtetem Stahl HRC50~60 erreicht, kann seine Festigkeit zwischen 2100 und 2600 MR3 liegen. Gemäß den Klassifizierungsvorschriften für die Zerspanbarkeit des verarbeiteten Materials beträgt die Härte und Festigkeit von gehärtetem Stahl jeweils 9a, was ihn zum am schwierigsten zu schneidenden Material macht.
- Hohe Schnittkraft und hohe Schnitttemperatur: Um Späne aus Werkstücken mit hoher Härte und hoher Festigkeit zu schneiden, kann die Einheitsschnittkraft 4500 MR erreichen. Um die Schnittbedingungen zu verbessern und den Wärmeableitungsbereich zu vergrößern, sollte das Werkzeug einen kleineren Hauptablenkungswinkel und einen kleineren Sekundärablenkungswinkel wählen. Dies führt zu Vibrationen und erfordert eine bessere Steifigkeit des Prozesssystems.
- Es ist nicht einfach, eine Aufbauschneide zu erzeugen. Gehärteter Stahl hat eine hohe Härte und Sprödigkeit, und es ist nicht einfach, beim Schneiden eine Aufbauschneide zu erzeugen. Die bearbeitete Oberfläche kann eine geringere Oberflächenrauheit erhalten.
- Die Klinge bricht leicht und verschleißt: Aufgrund der hohen Sprödigkeit von gehärtetem Stahl ist der Kontakt zwischen Span und Klinge beim Schneiden kurz und Schnittkraft und Schnittwärme konzentrieren sich in der Nähe der Werkzeugkante, was leicht zum Brechen und Verschleiß der Klinge führen kann.
- Geringe Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit von gehärtetem Stahl beträgt 7,12 W (m”K), was etwa 1/7 von 45er Stahl entspricht. Die Zerspanbarkeitsklasse des Materials beträgt 9a, was bedeutet, dass es sehr schwer zu schneiden ist. Aufgrund des niedrigen Wärmekoeffizienten von gehärtetem Stahl kann die Schnittwärme nur schwer von den Spänen abgeführt werden und die Schnitttemperatur ist sehr hoch, was den Verschleiß des Werkzeugs beschleunigt.
So wählen Sie Werkzeugmaterialien zum Schneiden von gehärtetem Stahl aus
Eine sinnvolle Auswahl der Werkzeugmaterialien ist eine wichtige Voraussetzung für das Schneiden von gehärtetem Stahl. Entsprechend den Schneideigenschaften von gehärtetem Stahl sollten Werkzeugmaterialien nicht nur eine hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit aufweisen, sondern auch eine gewisse Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit besitzen.
Hartmetall: Um die Leistung von Hartmetall zu verbessern, sollte Hartmetall mit in geeigneten Mengen zugesetzten ultrafeinen Partikeln von TaC oder NbC bevorzugt werden. Denn bei WC-Co-Hartmetall kann nach Zugabe von TaC die ursprüngliche Hochtemperaturfestigkeit bei 800 °C um 150–300 MPa erhöht werden, und HV40–100 kann die Härte bei Raumtemperatur erhöhen. Nach Zugabe von NbC wird die Hochtemperaturfestigkeit um 150–300 MPa erhöht und die Härte bei Raumtemperatur um HV70–150. Darüber hinaus können TaC und NbC die Körner verfeinern und die Widerstandsfähigkeit von Hartmetall gegen sichelförmigen Injektionsverschleiß verbessern. TaC kann außerdem den Reibungskoeffizienten und die Schnitttemperatur senken, die Widerstandsfähigkeit von Hartmetall gegen thermische Risse und thermoplastische Verformungen verbessern und die Körnung von WC auf 0,5 bis 1 μm verfeinern, seine Härte um HRA1,5 bis 2 erhöhen und seine Biegefestigkeit um 600 bis 800 MPa steigern. Seine Härte bei hohen Temperaturen ist höher als die von allgemeinem Hartmetall.
Heißgepresste Verbundkeramik und heißgepresste Siliziumnitridkeramik: Durch Hinzufügen von Metallelementen wie TiC zu AI203 und durch Verwendung der Heißpresstechnologie wird die Dichte der Keramik und die Leistung von Keramik auf Aluminiumoxidbasis verbessert, sodass ihre Härte auf HRA95,5 erhöht wird, die Biegefestigkeit 800–1200 MPa und die Hitzebeständigkeit 1200–1300 °C erreichen kann, was den Bindungs- und Diffusionsverschleiß während des Gebrauchs verringern kann. Siliziumnitridbasierte Keramik wird durch Hinzufügen von Metallelementen wie TiC zu Si3N4 hergestellt und hat eine Härte von HRA93–94 und eine Biegefestigkeit von 700–1100 MPa. Diese beiden Keramiken eignen sich zum Drehen, Fräsen, Bohren und Hobeln von gehärtetem Stahl.
Werkzeug aus Verbundblechen aus kubischem Bornitrid (PCRN): Die Härte beträgt HV8000–9000, die Biegefestigkeit des Verbundwerkstoffs beträgt 900–1300 MPa, die Wärmeleitfähigkeit ist relativ hoch und die Hitzebeständigkeit beträgt 1400–1500 °C, was der höchste Wert unter den Werkzeugmaterialien ist. Es eignet sich sehr gut für die Vor- und Endbearbeitung von gehärtetem Stahl.
So wählen Sie die geometrischen Parameter von Schneidwerkzeugen für gehärteten Stahl
Beim Schneiden von gehärtetem Stahl können allein mit guten Schneidwerkzeugmaterialien und ohne angemessene geometrische Parameter des Schneidwerkzeugs keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden. Daher ist es notwendig, die geometrischen Parameter des Werkzeugs entsprechend den spezifischen Werkzeugmaterialien, Werkstückmaterialien und Schnittbedingungen angemessen auszuwählen, um die Schneidleistung der Werkzeugmaterialien effektiv auszuschöpfen.
Spanwinkel: Die Größe des Spanwinkels hat großen Einfluss auf das Schneiden von gehärtetem Stahl. Aufgrund der hohen Härte und Festigkeit von gehärtetem Stahl ist die Schnittkraft groß und konzentriert sich in der Nähe der Werkzeugkante. Um Absplitterungen und Schnitte zu vermeiden, sollte der Spanwinkel als Null- und negativer Wert gewählt werden, im Allgemeinen γ0 = -10 ° ～ 0 °. Wenn das Werkstückmaterial hart ist und ein intermittierendes Schneiden erforderlich ist, sollte ein größerer negativer Spanwinkel gewählt werden, γ0 = -10 ° ～ -30 °. Wenn eine Wendeschneidplatte mit positivem Spanwinkel verwendet wird, sollte eine größere negative Fase mit einer Breite von bγ = 0,5 ～ 1 mm und γ01 = -5 ° ～ -15 ° geschliffen werden, um die Klingenfestigkeit zu verbessern.
Rückwinkel: Der Rückwinkel des Werkzeugs zum Schneiden von gehärtetem Stahl sollte größer sein als der des allgemeinen Werkzeugs, um die Reibung der hinteren Werkzeugfläche zu verringern. Im Allgemeinen ist α0 = 8 ° ～ 10 ° besser.
Hauptspanwinkel und Nebenspanwinkel: Um die Festigkeit der Werkzeugspitze zu erhöhen und die Wärmeableitungsbedingungen zu verbessern, beträgt der Hauptspanwinkel κr = 30°–60° und der Nebenspanwinkel κ'r = 6°–15°.
Neigungswinkel der Klinge: Wenn der Neigungswinkel der Klinge negativ ist, kann die Festigkeit der Werkzeugspitze erhöht werden. Wenn der negative Wert jedoch zu groß ist, erhöht sich die fp-Kraft, was zu Vibrationen führt, wenn die Steifigkeit des Prozesssystems schlecht ist. Daher beträgt unter normalen Umständen λs = -5 ° ～ 0 °; für intermittierendes Schneiden beträgt λs = -10 ° ～ -20 °; für Schabefräser mit harter Zahnoberfläche beträgt der Neigungswinkel der Klinge λs = -30 °.
Bogenradius der Klingenspitze: Seine Größe beeinflusst die Stärke der Werkzeugspitze und die Rauheit der bearbeiteten Oberfläche. Aufgrund des Einflusses der Steifigkeit des Prozesssystems ist ein Bogenradius der Klingenspitze von γε = 0,5 bis 2 mm angemessen.
Schneidwerkzeuge aus gehärtetem Stahl müssen auf der Grundlage einer angemessenen Auswahl geometrischer Parameter sorgfältig geschärft und geschliffen werden, um die Schärfqualität jeder Werkzeugoberfläche zu verbessern und die Werkzeughaltbarkeit zu erhöhen.
So wählen Sie die Schnittmenge beim Schneiden von gehärtetem Stahl
Die Schnittmenge von gehärtetem Stahl wird hauptsächlich entsprechend den physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Schneidwerkzeugmaterials, des Werkstückmaterials, der Werkstückform, der Steifigkeit des Prozesssystems und der Bearbeitungszugabe ausgewählt. Wenn Sie die drei Elemente der Schnittmenge auswählen, sollten Sie zunächst eine angemessene Schnittgeschwindigkeit wählen, gefolgt von der Schnitttiefe und dann der Vorschubgeschwindigkeit.
Schnittgeschwindigkeit: Die Hitzebeständigkeit von gehärtetem Stahl beträgt 200 °C bis 600 °C, während die Hitzebeständigkeit von Hartmetall 800 °C bis 1000 °C, die Hitzebeständigkeit von Keramikschneidwerkzeugen 1100 °C bis 1200 °C und die Hitzebeständigkeit von kubischem Bornitrid 1400 °C bis 1500 °C beträgt. Mit Ausnahme von Schnellarbeitsstahl beginnt die Härte von gehärtetem Stahl bei etwa 400 °C abzunehmen, während die oben genannten Werkzeugmaterialien ihre ursprüngliche Härte beibehalten. Nutzen Sie daher beim Schneiden von gehärtetem Stahl die oben genannten Eigenschaften voll aus und die Schnittgeschwindigkeit sollte nicht zu niedrig oder zu hoch sein, um eine gewisse Haltbarkeit des Werkzeugs zu gewährleisten. Nach aktuellen Erfahrungen beträgt die Schnittgeschwindigkeit verschiedener Werkzeugmaterialien zum Schneiden von gehärtetem Stahl für Hartmetallschneidwerkzeuge vc = 30 bis 75 m/min; vc = 60–120 m/min für Keramikwerkzeuge; vc = 100–200 m/min für Werkzeuge aus kubischem Bornitrid. Beim intermittierenden Schneiden oder wenn die Härte des Werkstückmaterials zu hoch ist, sollte die Schnittgeschwindigkeit reduziert werden, im Allgemeinen etwa auf die Hälfte der oben genannten Mindestschnittgeschwindigkeit. Die beste Schnittgeschwindigkeit beim kontinuierlichen Schneiden ist, wenn die Späne dunkelrot sind.
Schnitttiefe: Wird im Allgemeinen entsprechend der Bearbeitungszugabe und der Steifigkeit des Prozesssystems ausgewählt. Unter normalen Umständen beträgt αp = 0,1 bis 3 mm.
Vorschubgeschwindigkeit: Im Allgemeinen 0,05 bis 0,4 mm/U. Wenn das Werkstückmaterial hart ist oder der Schnitt unterbrochen ist, sollte die Vorschubgeschwindigkeit reduziert werden, um die Schnittkraft der Einheit zu verringern und so Absplitterungen und Werkzeugschäden zu vermeiden.
So schneiden Sie gehärteten Stahl mit Keramik-Schaftfräsern
Die Verwendung von keramischen Schneidwerkzeugmaterialien zum Schneiden von gehärtetem Stahl hat im Vergleich zur Verwendung von Hartmetall-Schaftfräsern zum Schneiden von gehärtetem Stahl einen erheblichen Effekt. Dies spiegelt sich hauptsächlich in der Tatsache wider, dass die Härte und Hitzebeständigkeit von Keramikwerkzeugen höher sind als die von Hartmetall. Damit hergestellte Drehwerkzeuge, Fräser und Gewindewerkzeuge können gehärteten Stahl erfolgreich schneiden.
Unter Ausnutzung der Tatsache, dass keramische Schneidwerkzeugmaterialien eine höhere Härte und Hitzebeständigkeit als Hartmetall aufweisen, sollte die gewählte Schnittgeschwindigkeit höher sein als die Schnittgeschwindigkeit von Hartmetall zum Schneiden von gehärtetem Stahl, die im Allgemeinen 50% höher ist. Beispielsweise liegt bei einer Schnittgeschwindigkeit von 50 m/min der Flankenverschleiß von Keramikwerkzeugen nahe an dem von Hartmetall. Wenn die Schnittgeschwindigkeit auf 95 m/min erhöht wird, ist die Verschleißfestigkeit viel höher als die von Hartmetall. Wenn beispielsweise ein dreiseitiger Kantenfräser aus Keramikklingen verwendet wird, um eine gehärtete Stahlkeilnut mit einer Tiefe von 5,2 mm, einer Breite von 16 mm und einer Länge von 700 mm bei einer Schnittgeschwindigkeit von 102 m/min zu fräsen, wird das Werkzeug grundsätzlich nicht verschleißen.
Wenn Keramikschneidwerkzeuge beim Schneiden Stoßbelastungen ausgesetzt sind, sollte das Werkzeug einen kleinen Anstellwinkel, einen großen Spitzenbogen oder einen runden Einsatz haben, um die Spitzenfestigkeit zu erhöhen und Werkzeugschäden zu vermeiden. Beispielsweise wird zum Fräsen von gehärtetem Stahl ein Maschinenklemm-Schaftfräser aus runden Keramikklingen verwendet, vc = 120–150 m/min, vf = 230–290 mm/min, αp = 1–2 mm.
Um die Festigkeit von Klinge und Spitze zu erhöhen, sollten negative Spanwinkel und negative Kantenneigungswinkel verwendet werden. Die Rauheit Ra von Klinge und Klingenoberfläche sollte weniger als 0,4 μm betragen.
Beim Schneiden wird im Allgemeinen keine Schneidflüssigkeit verwendet. Wenn sie verwendet wird, muss sie von Anfang bis Ende vollständig zugeführt werden, da die Klinge sonst aufgrund der thermischen Ausdehnung und Kontraktion reißt.
Die Biegefestigkeit von Keramikwerkzeugen ist geringer als die von Hartmetall. Um die Kraft pro Flächeneinheit des Werkzeugs zu verringern, sollte die Vorschubgeschwindigkeit beim Schneiden geringer sein, im Allgemeinen f = 0,08 bis 0,15 mm/U.
So verwenden Sie Schneidwerkzeuge aus kubischem Bornitrid zum Schneiden von gehärtetem Stahl
Schneidwerkzeuge aus kubischem Bornitrid (CBN) sind nicht nur ein gutes Material für die Herstellung von Schleifwerkzeugen, sondern auch leicht zu schärfen (können mit Diamantschleifscheiben geschärft werden). Sie sind auch gute Materialien für die Herstellung von Drehwerkzeugen, Bohrern, Fräsern, Tieflochbohrern, Reibahlen, Zahnradfräsern usw. CBN wird hauptsächlich zum Schneiden verschiedener gehärteter Stähle verwendet und kann auch zum Schneiden anderer schwer zu schneidender Materialien verwendet werden. Es hat nicht nur eine hohe Metallabtragsrate, sondern auch eine gute Oberflächenverarbeitungsqualität. Das Schneiden verschiedener gehärteter Stähle kann das Schleifen effektiv ersetzen, Verarbeitungsvorgänge reduzieren und die Produktivität verbessern. Die meisten der auf dem Markt verkauften CBN-Klingen werden zu Wendeschneidplatten oder Werkzeugen in Form von Verbundplatten mit Hartmetall hergestellt, deren Zweck darin besteht, die Biegefestigkeit von CBN-Klingen zu verbessern.
Aufgrund der hohen Härte (hv8000～9000) und hohen Hitzebeständigkeit (1400℃～1500℃) von CBN-Werkzeugen können sie zum Schneiden von gehärtetem Stahl mit einer um ein Vielfaches höheren Schnittgeschwindigkeit als Hartmetall verwendet werden und ihre Haltbarkeit ist mehrere bis Dutzend Mal höher als die von Hartlegierungen. Vergleich von CBN-Werkzeugen und Hartmetallwerkzeugen beim Schneiden von gehärtetem Stahl.
Zu den inländischen Herstellern von CBN-Sägeblättern gehören das Chengdu Tool Research Institute, das die Marke LDP-J herstellt; die Sixth Grinding Wheel Factory produziert DLS-F1, DLS-F2 und DLS-F3. Es gibt auch viele Hersteller, die CBN-Wendeschneidplatten und Schweißmesser herstellen. LDP-J und DLS-F1 werden hauptsächlich zum Schneiden verschiedener gehärteter Stähle verwendet. DLS-F2 wird hauptsächlich zum Schneiden verschiedener Gusseisen verwendet. DLS-F3 wird hauptsächlich zum Schneiden von Hochtemperaturlegierungen und Titanlegierungen verwendet.
CBN-Werkzeuge sind nicht für langsames Schneiden geeignet. CBN-Werkzeuge sind auf die beim Schneiden erzeugte Schnittwärme angewiesen, um das Werkstückmaterial in einem kleinen Bereich des Schneidbereichs zum Schneiden zu erweichen.
Beim Schneiden von Materialien mit einer Härte von HRC55-65 sollte die Schnittgeschwindigkeit des CBN-Werkzeugs 50-120 m/min betragen. Beim Fräsen vc = 100-160 m/min und die Vorschubgeschwindigkeit pro Minute vf = 70-160 mm/min; beim Reiben vc = 60-130 m/min, ap = 0,1-0,2 mm und f = 0,07-0,2 mm/r. CBN-Werkzeuge werden hauptsächlich zum Vorschlichten und Schlichten von gehärtetem Stahl verwendet. Die bearbeitete Oberfläche verbrennt nicht wie beim Schleifen und die Effizienz ist etwa zehnmal höher als beim Schleifen.
Die geometrischen Parameter von CBN-Werkzeugen beim Schneiden von gehärtetem Stahl sind γ0=-15°～-5°, α0=α'0=10°～15°, κr=30°～60°, κ'r=5°～15°, λs=0°～10° und γε=0,3～1 mm.
In welchen Fällen ist es beim Schneiden von gehärtetem Stahl mit CBN-Werkzeugen am effektivsten, das Schleifen zu ersetzen?
Das Schneiden komplexer Oberflächen und mehrerer komplexer Oberflächen auf CNC-Werkzeugmaschinen anstelle von Schleifprozessen kann 1/3 bis 2/3 des Arbeitsaufwands reduzieren und eine hohe Positionsgenauigkeit gewährleisten.
Innenlöcher oder kleine Löcher mit komplexen Formen. Wenn Schleifen verwendet wird, muss auch die Form der Schleifscheibe komplex sein. Manchmal ist Schleifen unmöglich. In diesem Fall ist Drehen am vorteilhaftesten.
Mehrere Oberflächen eines Teils (Außenkreis, Innenloch, Endfläche, Stufe, Nut) müssen geschliffen werden. Zu diesem Zeitpunkt wird Drehen verwendet, und ein Prozess kann abgeschlossen werden, und der Werkzeugaufwand zum Schleifen kann reduziert werden.
Nach dem Abschrecken verformen sich Teile leicht und hinterlassen einen kleinen Rand, der leicht zu Ausschuss führt. Zu diesem Zeitpunkt kann ein größerer Rand übrig bleiben. Nach dem Abschrecken kann der überschüssige Rand mit einem CBN-Schneidwerkzeug abgeschnitten und anschließend geschliffen werden, um den durch große Verformungen verursachten Ausschuss zu verringern.
Bei der Bearbeitung hochfrequenter Teile mit großen Lastwechseln und dem Einsatz unter erschwerten Bedingungen sind die Oberflächenstruktur sowie die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Werkstücks besser als beim Schleifen, was die Lebensdauer der Teile verlängern kann.
Bei der Auswahl von Schneidwerkzeugen wie Fräsern und Schaftfräsern ist es wichtig, die richtigen Werkzeugmaterialien und geometrischen Parameter basierend auf der Härte des zu bearbeitenden Materials und der Form des Werkstücks auszuwählen. Bei der Bearbeitung von hochhartem Stahl sind die Optimierung von Schnittgeschwindigkeit, Schnitttiefe und Vorschub sowie die Wahl des richtigen Werkzeugmaterials und der richtigen Beschichtung wichtige Faktoren zur Sicherstellung der Bearbeitungsqualität und Verbesserung der Produktionseffizienz. Eine sorgfältige Auswahl der Schneidwerkzeuge und eine angemessene Anpassung der Schneidparameter können nicht nur die Schneidergebnisse verbessern, sondern auch die Werkzeuglebensdauer verlängern und so wirtschaftliche und effiziente Bearbeitungsziele erreichen.
