In der Flugzeugtriebwerksindustrie werden die Materialeigenschaften ständig verbessert, und die CNC-Bearbeitungstechnologie für schwer zu bearbeitende Materialien (Hochtemperaturlegierungen) ist in der Branche zu einem allgemeinen Anliegen geworden. Keramische Schneidwerkzeugmaterialien zeichnen sich durch hohe Härte, gute Verschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit sowie ausgezeichnete chemische Stabilität aus und lassen sich nicht leicht mit Metallen verbinden. Es ist zu einem der wichtigsten Werkzeugmaterialien für das Hochgeschwindigkeitsschneiden von Hochtemperaturlegierungen geworden. Darüber hinaus ist die optimale Schnittgeschwindigkeit von Keramikwerkzeugen 8- bis 10-mal höher als die von Hartmetallwerkzeugen, was die Schneidleistung erheblich verbessern kann. Derzeit kommen ständig neue Keramikwerkzeuge auf den Markt, und Keramikwerkzeuge werden weltweit 151 bis 201 TP3T der mechanischen Bearbeitungswerkzeuge ausmachen. Seine Entwicklung könnte eine weitere Revolution im Bereich der Schneidverarbeitung auslösen.
Nachteile von Hartmetallwerkzeugen bei der Bearbeitung von Hochtemperaturwerkstoffen
Hochtemperaturlegierungen (hauptsächlich auf Nickel- oder Kobaltbasis) weisen bei hohen Temperaturen eine ausgezeichnete Stabilität und Kriechfestigkeit auf. GH4169 weist bei Raumtemperatur eine hohe Härte (bis zu HRC35-47) und eine gute Zähigkeit auf. Im Vergleich zu gewöhnlichen Stahlteilen ist die Bearbeitungsleistung jedoch schlecht und der Schneidprozess verbraucht mehr Energie.
In den letzten 10 Jahren hat sich die Anwendung von Hartmetallwerkzeuge Die Verarbeitung von Hochtemperaturlegierungen auf Titan-, Nickel- und Kobaltbasis ist weit verbreitet. Die hohe Härte und Zähigkeit von Hartmetallmaterialien bei Arbeitstemperaturen unter 600 °C machen sie zu einem idealen Werkzeug zum Schneiden von Hochtemperaturlegierungen und Titanlegierungen. Hartmetallwerkzeuge haben jedoch eine entscheidende Schwäche. Ihr Schmelzpunkt liegt bei etwa 1200 °C. Wenn die Temperatur in der Schneidzone über 800 °C liegt, sinken Festigkeit und Härte der Klinge erheblich und der Verschleiß nimmt zu. Es ist sogar schwierig, einen normalen Schnitt durchzuführen.
Daher kann beim Schneiden von hochtemperaturfesten Legierungsmaterialien mit Hartmetallwerkzeugen die Lineargeschwindigkeit nur bei etwa 40 m/min gehalten werden, um zu hohe Temperaturen in der Schneidzone zu vermeiden. Bei Teilen mit großer Bearbeitungszugabe ist die Metallentfernungsrate aufgrund der langsamen Schnittgeschwindigkeit sehr niedrig, die Bearbeitungszeit sehr lang und die Produktionskosten stark erhöht. Dies führt dazu, dass das Potenzial moderner CNC-Werkzeugmaschinen bei weitem nicht voll ausgeschöpft wird. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Leistung neuer Motoren und der Entwicklung neuer Materialien ist es schwierig geworden, Hartmetallwerkzeuge anzupassen. Daher hat die Suche nach einem idealeren Schneidwerkzeug höchste Priorität.
Vorteile keramischer Schneidwerkzeuge bei der Bearbeitung hochtemperaturbeständiger Werkstoffe
Bereits vor 20 Jahren begannen Flugzeugtriebwerkshersteller in Industrieländern (wie GE in den USA und Rolls-Royce im Vereinigten Königreich) damit, Keramikwerkzeuge zur Verarbeitung von Hochtemperaturlegierungen zu verwenden. Das größte Merkmal von Keramikmaterialien ist ihr hoher Schmelzpunkt (über 2000 °C). Die Härte nimmt bei 1200 °C nicht stark ab. Es ist ein ideales Material, um Hartmetallwerkzeuge zu ersetzen und Hochgeschwindigkeitsschnitte zu erreichen. In meinem Land ist die Verwendung solcher Werkzeuge jedoch aus verschiedenen Gründen nicht weit verbreitet.
Die Spanformung bei der Schneidverarbeitung ist ein typischer Prozess großer Verformung, der mit Nichtlinearitäten des Materials, geometrischen Nichtlinearitäten und Randnichtlinearitäten einhergeht. Beim Hochgeschwindigkeitsschneidprozess treten auch Probleme mit der thermischen Kopplung auf.
Die berühmten Schneidexperten Piisnen und Merchant haben bereits 1945 einen Mechanismus der Spanbildung vorgeschlagen. Unter Einwirkung der Scherkraft (Schneidkraft) beginnen die Korngrenzen in der Nähe der Scherfläche zu reißen und sich zu verformen, trennen sich von der Matrix und bilden Späne, wobei viel Wärme entsteht. Tatsächlich werden dadurch etwa 801 TP3T der Schneidwärme erzeugt.
Der Kern der Verwendung von Keramikwerkzeugen zum Erreichen von Hochgeschwindigkeitsschneiden besteht darin, die Hochtemperatureigenschaften von Keramikmaterialien voll auszunutzen. Eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit führt dazu, dass sich die Schnittwärme kontinuierlich ansammelt, die Temperatur der Schnittzone steigt, die Späne werden weicher und das Schneiden wird sehr einfach. Obwohl sich die Zähigkeit und Verschleißfestigkeit von Keramikmaterialien stark von denen von Hartmetallmaterialien unterscheidet, ist ihre Hochtemperaturstabilität weit jenseits der Reichweite von Hartmetallwerkzeugen. Daher ist eine Erhöhung der linearen Geschwindigkeit der effektivste Weg, um die Temperatur der Schnittzone zu erhöhen. Theoretisch sollten die Schnittgeschwindigkeit und die Metallabtragsrate von Keramikwerkzeugen 5 bis 10 Mal oder sogar mehr betragen als die von Hartmetallwerkzeugen.
Bei der Werbung haben die Werkzeughersteller nur vorgeschlagen, dass Keramikwerkzeuge für die Bearbeitung von Materialien über HRC55 geeignet sind, und es gibt keine entsprechenden Berichte über Materialien unter HRC55. In diesem Artikel berichte ich über meine eigenen Erfahrungen mit der Bearbeitung von Materialien unter HRC55.
Aufgrund der langjährigen Verwendung von Hartmetallwerkzeugen haben sich die Bediener an das Schneiden mit niedriger Geschwindigkeit gewöhnt, und genau diese für Hartmetall geeignete Verarbeitungsmethode ist bei der Verarbeitung von Keramikwerkzeugen das größte Tabu. Bei der Verwendung von Keramikwerkzeugen haben die Bediener aus Sicherheitsgründen immer Angst, die Geschwindigkeit zu erhöhen, und hoffen sogar, Keramikwerkzeuge auf gewöhnlichen Drehmaschinen verwenden zu können. Die meisten Probleme, die in der Vergangenheit bei der Verwendung von Keramikwerkzeugen auftraten, wurden durch eine unzureichende Schnittgeschwindigkeit verursacht.
Zu beachtende Punkte bei der Verarbeitung von keramischen Schneidwerkzeugen
Geschwindigkeit ist der Schlüssel zur Lebensdauer der Klinge. Wir müssen unsere Denkweise ändern und die Schnittgeschwindigkeit mutig erhöhen. Die Gewährleistung, dass während des Schneidvorgangs genügend Schneidwärme erzeugt wird, ist der Schlüssel zur Verbesserung der Lebensdauer des Werkzeugs. Allerdings gilt: Je höher die Schnittgeschwindigkeit, desto besser. Wenn die Schnitttemperatur zu hoch ist, kann zu viel Schneidwärme nicht abgeführt werden und verbleibt in der Matrix, wodurch die Temperatur der Teile steigt und sich die Teile aufgrund der thermischen Belastung verformen. Darüber hinaus haben wir im Test festgestellt, dass sich die Klinge sehr schnell abnutzt, sobald die Geschwindigkeit einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
Die Verschleißfestigkeit von Keramikwerkstoffen ist nicht so gut wie die von Hartmetall. Wenn mehrere Schnitte mit gleicher Schnitttiefe vorgenommen werden, tritt an der Kontaktstelle zwischen Klinge und Werkstück zwangsläufig ein Rillenverschleiß senkrecht zur Klinge auf. Daher ist es notwendig, den Kontaktpunkt zwischen Klinge und Werkstück ständig zu ändern. Diese Methode ist sehr effektiv bei der Verlängerung der Lebensdauer der Klinge.
Im Vergleich zu Hartmetall sind keramische Werkstoffe immer noch relativ spröde. Daher sollten Vibrationen während des Schneidvorgangs konsequent vermieden werden. Dies erfordert, dass die Werkzeugmaschine über ausreichend Leistung verfügt, die Spindel reibungslos rotiert, der Vorschub gleichmäßig ist und der Schneidweg ein „Schubschnitt“ ist. Versuchen Sie nicht, Keramikwerkzeuge auf gewöhnlichen Werkzeugmaschinen zu verwenden.
Für Materialien unterschiedlicher Härte sollten sinnvolle Schnittparameter und Werkzeugwege gewählt werden. Optimieren Sie die Kombination aus Vorschub und Schnittgeschwindigkeit, nur so kann ein effizientes Schneiden gewährleistet werden.
Wenn an der Vorderseite der Klinge lokale Absplitterungen auftreten, wird dies durch den Druck verursacht, der durch den erhöhten Verschleiß an der Seite erzeugt wird. Dieses Phänomen beeinträchtigt normalerweise nicht die Leistung des Werkzeugs. Tatsächlich wird nach dem Absplittern der Vorderseite der Klinge eine neue scharfe Klinge hergestellt und der Schnitt kann mit zufriedenstellenden Schnittergebnissen fortgesetzt werden. Bei der Feinbearbeitung beeinträchtigt das „Absplittern“ die Oberfläche und erzeugt „Grate“. Beim „Absplittern“ sind Funken vor der Klinge zu sehen. Dieser Funke wird durch die hochtemperierten Eisenspäne verursacht, die durch die raue Oberfläche der Klinge dringen. Der Vorschub sollte reduziert werden, um diesen Schnitt abzuschließen.
Überprüfen Sie vor dem nächsten Schnitt, ob die Klinge ausgetauscht werden muss. Nutzen Sie die „abgebrochene“ Klinge beim Grobschneiden voll aus und entscheiden Sie sich nicht voreilig, die Klinge wegzuwerfen. Die „abgebrochene“ Klinge kann weiter verwendet werden, bis sie tatsächlich nicht mehr schneidet.
Keramikklingen brechen nicht ernsthaft und verursachen keine Unfälle, sofern nicht schwerwiegende Fehler gemacht werden. Die wichtigsten Verschleißformen von Keramikklingen sind Absplitterungen und Verschleiß der Rückseite. Der sogenannte Flankenverschleiß ist eine fortschreitende Verschleißform, die bei allen Arten von Werkzeugen auftritt. Sein Verschleißgrad und die entsprechende Schnittgeschwindigkeit sind Indikatoren für die Werkzeuglebensdauer. Bei Teilen aus Nickellegierungen tritt der Rillenverschleiß von Keramikklingen an der Schnitttiefenlinie auf. Die ideale Anwendungsmethode sollte sein, dass der Rillenverschleiß das Maximum erreicht, während der Flankenverschleiß ebenfalls das Maximum erreicht. Der Rillenverschleiß darf sich bis zu 1/3 der Klingendicke erstrecken. Im Schneidbereich tritt häufig schneller Rillenverschleiß oder Absplitterungen auf, was durch unzureichende Wärme im Schneidbereich verursacht wird. Dies kann korrigiert werden, indem die Schnittgeschwindigkeit erhöht oder der Vorschub verringert wird oder beides gleichzeitig angepasst wird.
Der Werkzeugweg für Hartmetallwerkzeuge sollte sich von dem für Keramikklingen unterscheiden. Keramikklingen versagen aufgrund von Rillenverschleiß schnell. Die Programmiermethode und der Werkzeugweg beim Schneiden mit Keramikwerkzeugen sind nicht vollständig identisch mit denen von Hartmetallwerkzeugen. Es müssen geeignete Werkzeugwege und Schnittparameter verwendet werden.
Keramikwerkzeuge sind nicht für die Endbearbeitung dünnwandiger Teile mit einer Wandstärke von weniger als 2 mm geeignet. Es sollten weiterhin Hartmetallwerkzeuge verwendet werden. Fazit: Keramikmaterialien sind die vielversprechendsten und wettbewerbsfähigsten Werkzeugmaterialien des 21. Jahrhunderts. Ihre Entwicklung könnte eine weitere Revolution im Bereich der Schneidverarbeitung auslösen. Obwohl wir im Laufe der Versuche einige Erfahrungen gesammelt haben, müssen wir noch weitere Experimente durchführen, um die Vielfalt der Verarbeitungsmaterialien zu erweitern. Nur wenn wir die Leistungsfähigkeit von Keramikwerkzeugen beherrschen, können wir sie besser für die Verarbeitung von Hochtemperaturlegierungen einsetzen.
