Der allgemeine Entwicklungstrend bei der mechanischen Bearbeitung geht in Richtung hohe Effizienz, hohe Präzision, hohe Flexibilität und gesteigertes Umweltbewusstsein. Im Bereich der mechanischen Bearbeitung ist die Schneid- (Schleif-)Bearbeitung das am häufigsten verwendete Bearbeitungsverfahren. Das Hochgeschwindigkeitsschneiden ist die Entwicklungsrichtung der Schneidbearbeitung und hat sich zum Mainstream der Schneidbearbeitung entwickelt. Es ist eine wichtige gemeinsame Schlüsseltechnologie der fortschrittlichen Fertigungstechnologie. Die Förderung und Anwendung der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie wird die Produktionseffizienz und Verarbeitungsqualität erheblich verbessern und die Kosten senken. Die Entwicklung und Anwendung der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie wird durch den Fortschritt der Werkzeugmaschinen und der Werkzeugtechnologie bestimmt, wobei der Fortschritt der Werkzeugmaterialien eine entscheidende Rolle spielt.
Studien haben gezeigt, dass beim Schneiden mit hoher Geschwindigkeit mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit die Schnittkraft abnimmt, die Schnitttemperatur sehr hoch ansteigt und der Anstieg nach Erreichen eines bestimmten Wertes allmählich langsamer wird. Die Hauptursache für Werkzeugschäden sind Verschleiß und Schäden wie mechanische Reibung, Verklebung, chemischer Verschleiß, Absplittern, Quetschen und plastische Verformung unter Einwirkung von Schnittkraft und Schnitttemperatur. Daher sind die wichtigsten Anforderungen an Hochgeschwindigkeit Schneidwerkzeug Materialien sind mechanische Eigenschaften, thermophysikalische Eigenschaften, Antihafteigenschaften bei hohen Temperaturen, chemische Stabilität (Oxidationsfähigkeit, Diffusionsfähigkeit, Löslichkeit usw.) sowie Wärmeschockbeständigkeit und Beschichtungsrissbeständigkeit. Basierend auf dieser Anforderung wurden in den letzten 20 Jahren eine Reihe von Werkzeugmaterialien entwickelt, die für das Hochgeschwindigkeitsschneiden geeignet sind und verschiedene Werkstückmaterialien unter unterschiedlichen Schnittbedingungen schneiden können.
Obwohl wir immer Werkzeugmaterialien mit hoher Härte erhalten möchten, um die Verschleißfestigkeit des Werkzeugs zu gewährleisten, und hoher Zähigkeit, um ein Brechen des Werkzeugs zu verhindern, hat die aktuelle technologische Entwicklung noch keine derart leistungsstarken Werkzeugmaterialien hervorgebracht, und wir können nicht beides haben. Daher werden wir je nach den Anforderungen in der Praxis geeignetere Werkzeugmaterialien auswählen. Bei der Grobbearbeitung hat die Zähigkeit des Werkzeugmaterials Vorrang; bei der Feinbearbeitung hat die Härte des Werkzeugmaterials Vorrang. Natürlich erwarten die Leute auch, durch die Bearbeitung mit ultrahohen Schnittgeschwindigkeiten bessere Ergebnisse zu erzielen.
Verarbeitung von Aluminiumlegierungen
Automaten-Aluminiumlegierungen werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie häufig verwendet. Geeignete Werkzeuge sind K10, K20 und PCD. Die Schnittgeschwindigkeit beträgt 2000–4000 m/min, die Vorschubgeschwindigkeit 3–12 m/min, der Spanwinkel des Werkzeugs 12–18°, der Rückwinkel 10–18° und der Neigungswinkel der Klinge kann bis zu 25° betragen.
Bei Aluminiumgusslegierungen werden je nach dem unterschiedlichen Si-Gehalt unterschiedliche Werkzeuge verwendet. Für Aluminiumgusslegierungen mit einem Si-Gehalt von weniger als 12% können K10- und Si3N4-Werkzeuge verwendet werden. Wenn der Si-Gehalt über 12% liegt, können mit PKD (künstlicher Diamant), PCD (polykristalliner Diamant) und CVD-Diamant beschichtete Werkzeuge verwendet werden. Für Silizium-über-Silizium-Aluminiumlegierungen mit einem Si-Gehalt von 16% bis 18% werden am besten mit PCD oder CVD-Diamant beschichtete Werkzeuge mit einer Schnittgeschwindigkeit von 1100 m/min und einem Vorschub von 0,125 mm/U verwendet.
Verarbeitung von Gusseisenwerkstoffen
oder Gussteile: Wenn die Schnittgeschwindigkeit über 350 m/min liegt, spricht man von Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und die Schnittgeschwindigkeit hat großen Einfluss auf die Auswahl der Werkzeuge. Bei einer Schnittgeschwindigkeit unter 750 m/min können beschichtetes Hartmetall und Metallkeramik verwendet werden. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 510–2000 m/min können Si3N4-Keramikwerkzeuge verwendet werden. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 2000–4500 m/min können CBN-Werkzeuge verwendet werden. Die metallografische Struktur des Gussteils hat einen gewissen Einfluss auf die Auswahl der Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von über 500 m/min können bei der Bearbeitung von perlitdominierten Gussteilen CBN oder Si3N4 verwendet werden.
Wenn Ferrit vorherrscht, ist der Werkzeugverschleiß aufgrund von Diffusionsverschleiß stark. Unabhängig von der Verwendung von CBN sollten Keramikwerkzeuge verwendet werden. Wenn beispielsweise die Bindungsphase metallisches Co ist, die durchschnittliche Korngröße 3 µm beträgt und der CBN-Gehalt größer als 90%~95% ist, eignet sich BZN6000 zur Bearbeitung von Grauguss mit hohem Ferritgehalt bei V=700 m/min. Amboritklingen mit einer keramischen (AIN+AIB2) Bindungsphase, einer durchschnittlichen Korngröße von 10 µm und einem CBN-Gehalt von 90%~95%, bei der Bearbeitung von Grauguss mit hohem Perlitgehalt und einer Schnittgeschwindigkeit von weniger als 1100 m/min erhöht sich die Standzeit mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit.
Verarbeitung gewöhnlicher Stahlmaterialien
Die Schnittgeschwindigkeit hat einen großen Einfluss auf die Oberflächenqualität von Stahl. Untersuchungen zufolge liegt die optimale Schnittgeschwindigkeit bei 500 bis 800 m/min. Als Werkzeugmaterialien für das Hochgeschwindigkeitsschneiden von Stahlteilen können derzeit beschichtete Hartmetallwerkzeuge, Metallkeramikwerkzeuge, nichtmetallische Keramikwerkzeuge und CBN-Werkzeuge verwendet werden. Unter ihnen können beschichtete Hartmetallwerkzeuge Schneidflüssigkeit verwenden. Die Verschleißfestigkeit von mit PVD-Beschichtungsverfahren hergestellten TiN-beschichteten Werkzeugen ist besser als die von mit CVD-Beschichtungsverfahren hergestellten beschichteten Werkzeugen, da erstere die Form der Schneidkante gut beibehalten können, sodass die bearbeiteten Teile eine höhere Präzision und Oberflächenqualität erzielen können.
Cermet-Werkzeuge nehmen derzeit einen großen Marktanteil ein. Die Metallkeramiken auf Basis von TC-Ni-Mo weisen eine gute chemische Stabilität, aber eine schlechte Biegefestigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf. Sie eignen sich zum Schlichten mit geringem Vorschub und geringer Schnitttiefe bei einer Schnittgeschwindigkeit von 400 bis 800 m/min. Metallkeramiken mit TiCN als Matrix und weniger Molybdän und mehr Wolfram im Bindemittel vereinen Festigkeit und Verschleißfestigkeit. TiN wird verwendet, um die Zähigkeit von Metallkeramiken zu erhöhen. Die Schnitttiefe von Stahl oder Gusseisen kann 2 bis 3 mm erreichen.
Verarbeitung von hochharten Stahlwerkstoffen
Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge für hochharten Stahl (HRC40–70) können Metallkeramikwerkzeuge, Keramikwerkzeuge, TiC-beschichtete Hartmetallwerkzeuge, PCBN-Werkzeuge usw. sein. Metallkeramik kann Metallkeramik mit TiC als Grundbestandteil und zugesetztem TiN sein. Seine Härte und Bruchzähigkeit entsprechen in etwa denen von Hartmetall, während seine Wärmeleitfähigkeit weniger als 1/10 der von Hartmetall beträgt und es eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit, Haftfestigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist. Darüber hinaus hat es gute mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen und eine geringe Affinität zu Stahl, was es für die SKD-Bearbeitung von Formstahl mit mittlerer und hoher Geschwindigkeit (ca. 200 m/min) geeignet macht. Metallkeramik eignet sich besonders zum Nuten. Keramikwerkzeuge können zum Schneiden von Werkstückmaterialien mit einer Härte von HRC63 verwendet werden. Wenn das Werkstück vor dem Schneiden abgeschreckt wird, kann „Schneiden statt Schleifen“ erreicht werden.
Beim Schneiden von 45er Stahl mit einer Härte von HRC48–58 kann die Schnittgeschwindigkeit 150–180 m/min, die Vorschubgeschwindigkeit 0,3–0,4 min/r und die Schnitttiefe 2–4 mm betragen. AI203-TiC-Keramikwerkzeuge mit einer Partikelgröße von 1 µm und einem TiC-Gehalt von 20% bis 30% können zum Bearbeiten von hochhartem Stahl mit hoher Abisolierfestigkeit bei einer Schnittgeschwindigkeit von etwa 100 m/min verwendet werden. Wenn die Schnittgeschwindigkeit höher als 1000 m/min ist, ist PCBN das beste Werkzeugmaterial, und PCBN-Werkzeuge mit einem CBN-Gehalt von mehr als 90% eignen sich zum Bearbeiten von gehärtetem Werkzeugstahl (z. B. H13-Werkzeugstahl mit HRC55).
Verarbeitung hochtemperaturbeständiger Legierungsmaterialien auf Nickelbasis
Die Nickellegierung Inconel718 ist ein typisches, schwer zu verarbeitendes Material mit hoher Temperaturfestigkeit, dynamischer Scherfestigkeit und niedrigem Wärmediffusionskoeffizienten. Beim Schneiden kommt es leicht zu Kaltverfestigungen, die zu hohen Temperaturen im Schneidbereich des Werkzeugs und beschleunigtem Verschleiß führen. Beim Schneiden dieser Legierung mit hoher Geschwindigkeit werden hauptsächlich Keramik- und CBN-Werkzeuge verwendet. Mit Siliziumkarbidwhiskern verstärkte Aluminiumoxidkeramiken können bei 100 bis 300 m/min eine längere Werkzeuglebensdauer erreichen. Bei Schnittgeschwindigkeiten über 500 m/min ist der Werkzeugverschleiß von mit TiC versetzter Aluminiumoxidkeramik gering, während der Kerbverschleiß bei 100 bis 300 m/min groß ist.
Siliziumnitridkeramik (Si3N4) kann auch zur Bearbeitung der Inconel718-Legierung verwendet werden. Es wird allgemein angenommen, dass die besten Schnittbedingungen für die Bearbeitung von Inconel718 mit SiC-Whisker-verstärkter Keramik folgende sind: Schnittgeschwindigkeit 700 m/min, Schnitttiefe 1–2 mm, Vorschubgeschwindigkeit 0,1–0,18 mm/z. Sialon-Keramik hat eine hohe Zähigkeit und eignet sich zum Schneiden der lösungsgeglühten Inconel 718-Legierung (HRC45). AI203-SiC-Whisker-verstärkte Keramik eignet sich zum Bearbeiten von Nickellegierungen mit geringer Härte.
Verarbeitung von Titanlegierungen (Ti6Al6V2Sn)
Titanlegierungen haben eine hohe Festigkeit und Schlagzähigkeit und ihre Härte ist etwas geringer als die von Inconel718, aber ihre Kaltverfestigung ist sehr stark, sodass beim Schneiden hohe Temperaturen und starker Werkzeugverschleiß auftreten. Experimente zeigen, dass beim Hochgeschwindigkeitsfräsen von Titanlegierungen mit einem zweischneidigen Spiralfräser aus Hartmetall K10 mit 10 mm Durchmesser (Spiralwinkel 30 °) eine zufriedenstellende Standzeit erreicht werden kann, die Schnittgeschwindigkeit bis zu 628 m/min betragen kann und der Vorschub pro Zahn 0,06 bis 0,12 mm/min betragen kann. Die Schnittgeschwindigkeit beim kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitsdrehen von Titanlegierungen sollte 200 m/min nicht überschreiten.
Verarbeitung von Verbundwerkstoffen
In der Luft- und Raumfahrt wurden in der Vergangenheit für moderne Verbundwerkstoffe Hartmetall und PCD verwendet. Die Schnittgeschwindigkeit von Hartmetall war begrenzt. Bei einer hohen Temperatur von über 900 °C schmilzt die PCD-Klinge jedoch an der Schweißstelle mit dem Hartmetall- oder Schnellarbeitsstahl-Schneidkörper, und Keramikwerkzeuge können Hochgeschwindigkeitsschnitte von etwa 300 m/min erreichen.
