Mit der rasanten Entwicklung der CNC-Bearbeitungstechnologie und der weit verbreiteten Nutzung von CNC-Werkzeugmaschinen, Werkzeugmaterialien werden ständig aktualisiert und weiterentwickelt. Hochgeschwindigkeitsschneiden ist zu einem unverzichtbaren und wichtigen Mittel im modernen Schneiden geworden. Die Schnittgeschwindigkeit beim Hochgeschwindigkeitsschneiden ist 5 bis 10 Mal so hoch wie beim herkömmlichen Schneiden, was neue Anforderungen an Werkzeugmaterialien, Werkzeugstruktur, geometrische Parameter usw. mit sich bringt. Insbesondere gibt es höhere Anforderungen an Werkzeugmaterialien. Die Materialien von Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeugen müssen eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Härte aufweisen. Gute thermische Stabilität und Warmhärte, gute mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen, geringe chemische Affinität und Verschleißfestigkeit. Hier werden wir die Werkzeugmaterialien und die Leistung von Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeugen und ihre angemessenen Auswahlmaßnahmen besprechen.
Klassifizierung und Leistung von Hochgeschwindigkeitswerkzeugen
Beschichtet Manrichten Toools
Beschichtete Schneidwerkzeuge werden mit einem harten und verschleißfesten Metallverbindungsfilm auf dem Werkzeugsubstrat beschichtet, um die Härte und Verschleißfestigkeit der Werkzeugoberfläche zu verbessern. Übliche Werkzeugsubstratmaterialien sind hauptsächlich Schnellarbeitsstahl, Hartmetall, Metallkeramik und Keramik. Beschichtete Werkzeuge können in hartbeschichtete und weichbeschichtete Werkzeuge unterteilt werden. Die Beschichtungsmaterialien von hartbeschichteten Werkzeugen umfassen hauptsächlich Titannitrid (TiN), Titancarbid (TiC), Aluminiumoxid (Al2O3), Titancarbonitrid (TiCN), Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Titanaluminiumcarbonitrid (TiAlCN) usw. Die Hauptmerkmale von hartbeschichteten Werkzeugen sind hohe Härte und gute Verschleißfestigkeit. Weichbeschichtete Werkzeuge sind Schnellarbeitsstahlwerkzeuge mit MoS2 und WS2 als Beschichtungsmaterialien. Weichbeschichtete Werkzeuge können Reibung, Schnittkraft und Schnitttemperatur reduzieren.
Die Beschichtung kann eine Einzelbeschichtung, eine Doppelbeschichtung oder eine Mehrfachbeschichtung oder sogar eine Verbundbeschichtung aus mehreren Beschichtungsmaterialien sein. Die Verbundbeschichtung kann aus TiC-Al2O3-TiN-, TiCN- und TiAlN-Mehrfachverbundbeschichtungen bestehen, und die neuesten Entwicklungen umfassen TiN/NbN-, TiN/CN- und andere Mehrfachverbundfilme. Die TiN-Beschichtung hat eine hohe Härte und eine gute Verschleißfestigkeit, die TiC-Beschichtung hat eine geringe Affinität zu Metall und eine starke Oxidationsbeständigkeit, TiAlN hat eine gute Hochgeschwindigkeitsschneidleistung und die Al2O3-Beschichtung hat eine gute thermische Stabilität. Die TiAlN-Schicht hat eine hervorragende Leistung beim Hochgeschwindigkeitsschneiden und die maximale Schneidtemperatur kann 800 °C erreichen.
Keramik Cschneidig Toools
Die Materialien für keramische Schneidwerkzeuge bestehen hauptsächlich aus Aluminiumoxid und Siliziumnitrid. Keramische Schneidwerkzeuge haben die Vorteile einer hohen Härte (HRA91~95), hohen Festigkeit (Biegefestigkeit 750~1000 MPa), guten Verschleißfestigkeit, guten chemischen Stabilität, guten Antihafteigenschaften, niedrigen Reibungskoeffizienten und niedrigen Preisen. Darüber hinaus haben keramische Schneidwerkzeuge auch eine sehr hohe Hochtemperaturhärte und erreichen HRA80 bei 1200 °C. Beim normalen Schneiden sind keramische Fräswerkzeuge extrem langlebig und die Schnittgeschwindigkeit kann 2 bis 5 Mal höher sein als die von Hartmetall.
In den letzten Jahren wurden aufgrund der Kontrolle der Reinheit der Rohstoffe und der Verfeinerung der Partikelgröße verschiedene Carbide, Nitride, Boride und Oxide hinzugefügt, um die Leistung zu verbessern. Die Bruchzähigkeit kann auch durch die synergistische Wirkung von Partikeln, Whiskern, Phasenänderungen, Mikrorissen und mehreren Härtungsmechanismen verbessert werden. Nicht nur die Biegefestigkeit steigt auf 0,9 bis 1,0 GPa (der Höchstwert kann 1,3 bis 1,5 GPa erreichen), sondern auch die Bruchzähigkeit und Schlagfestigkeit werden erheblich verbessert und der Anwendungsbereich wird zunehmend erweitert. Neben der allgemeinen Endbearbeitung und Vorbearbeitung kann es auch zum Schruppen unter Stoßbelastung verwendet werden. Es wird international als das Werkzeug mit dem größten Potenzial zur Verbesserung der Produktionseffizienz anerkannt.
Derzeit können Keramikwerkzeuge Materialien wie Stahl, Gusseisen und deren Legierungen mit hoher Geschwindigkeit bei Schnittgeschwindigkeiten von 200 bis 1000 m/min bearbeiten. Die Standzeit des Werkzeugs ist um ein Vielfaches oder sogar Dutzende Male länger als die von Hartmetall. Im Vergleich zu superharten Werkzeugen wie Diamant und CBN (kubisches Bornitrid) sind Keramikwerkzeuge relativ kostengünstig.
Metall CAbonnieren Cschneidig Toools
Metallkeramiken haben eine hohe Härte bei Raumtemperatur, eine hohe Härte bei hohen Temperaturen, eine gute Verschleißfestigkeit, eine starke Oxidationsbeständigkeit und eine gute chemische Stabilität. Die Materialien von Metallkeramikwerkzeugen umfassen hauptsächlich TiC-basiertes Hartmetall (TiC+Ni oder Mo) mit hoher Verschleißfestigkeit, TiC-basiertes Hartmetall (TiC+TaC+WC) mit hoher Zähigkeit, starkes TiN-basiertes Hartmetall und hochfestes und zähes TiCN-basiertes Hartmetall (TiCN+NbC). Werkzeuge aus diesen Legierungen können Stahl und legierten Stahl bei hohen Geschwindigkeiten im Bereich von υc=300m/min~500m/min verarbeiten und Gusseisen fein bearbeiten. Aus Metallkeramiken können Bohrer, Schaftfräser und Wälzfräser hergestellt werden. Beispielsweise hat der in Japan entwickelte Metallkeramik-Wälzfräser eine Geschwindigkeit von υc=600m/min, was etwa dem 10- bis 20-fachen des Hartmetall-Wälzfräsers entspricht, und der Oberflächenrauheitswert Rmax der bearbeiteten Oberfläche beträgt 2μm.
Werkzeuge aus kubischem Bornitrid (CBN)
Werkzeuge aus kubischem Bornitrid (CBN) haben eine hohe Härte, die nur von Diamant übertroffen wird (bis zu 8000 HV ~ 9000 HV), und eine hohe thermische Stabilität (bis zu 1250 °C ~ 1350 °C). Es ist chemisch inert gegenüber Eisenelementen, hat eine starke Antihaftfähigkeit und kann mit einer Diamantschleifscheibe geschliffen und geschärft werden. Daher eignet es sich für die Bearbeitung verschiedener gehärteter Stähle, thermischer Spritzmaterialien, Hartguss und kobalt- und nickelbasierter Materialien über 35 HRC. Denn Werkzeuge aus kubischem Bornitrid (CBN) können bei der Bearbeitung von Teilen mit hoher Härte eine gute Oberflächenrauheit erzielen. Daher kann die Verwendung von Werkzeugen aus kubischem Bornitrid (CBN) das Schleifen durch Drehen und Fräsen ersetzen, was die Bearbeitungseffizienz erheblich verbessert.
Werkzeuge aus polykristallinem Diamant (PKD)
Werkzeuge aus polykristallinem Diamant (PKD) Mit PKD-Werkzeugen lassen sich Nichteisenmetalle und nichtmetallische verschleißfeste Materialien mit hoher Geschwindigkeit bearbeiten. Berichten zufolge beträgt die Schnittgeschwindigkeit von PKD-Bohrern zur Bearbeitung von Si-Al-Legierungen 300–400 m/min. Bohrer aus PKD- und Hartmetall-Verbundwerkstoffen werden zur Bearbeitung von Al-Legierungen, Mg-Legierungen, FRP-Verbundwerkstoffen, Graphit und pulvermetallurgischen Rohlingen verwendet. Im Vergleich zu Hartmetallwerkzeugen erhöht sich die Standzeit um das 65- bis 145-fache. Die Geschwindigkeit υc von PKD-Planfräsern mit hochfesten Schneidkörpern aus Al-Legierungen zur Bearbeitung von Legierungen beträgt 3000–4000 m/min, einige erreichen sogar 7000 m/min. In den letzten Jahren wurden im Ausland Diamantschichtwerkzeuge (Dreh- und Fräseinsätze, Spiralbohrer, Schaftfräser, Gewindebohrer usw.) entwickelt, deren Standzeit 10- bis 140-mal so hoch ist wie die von Hartmetallwerkzeugen.
Hochleistungsfähige, komplexe Schneidwerkzeuge aus Schnellarbeitsstahl und Hartmetall
Zum Hochgeschwindigkeitsschneiden von Zahnrädern können Zahnradfräser aus hochleistungsfähigem Kobalt-Schnellarbeitsstahl, pulvermetallurgischem Schnellarbeitsstahl und Hartmetall verwendet werden. Zahnradwälzfräser aus neuen pulvermetallurgischen Materialien aus Hartmetallpulver und Schnellarbeitsstahlpulver können eine Wälzfräsgeschwindigkeit von 150 m/min bis 180 m/min erreichen. Nach einer TiAlN-Beschichtung können sie zum Hochgeschwindigkeits-Trockenschneiden von Zahnrädern verwendet werden. Wenn Spiralbohrer aus feinkörnigem Hartmetall, die mit verschleißfesten, hitzebeständigen und schmierenden Beschichtungen beschichtet sind, mit Kühlmittel versetzt werden, um Kohlenstoff-Baustahl und legierten Stahl zu bearbeiten, kann die Schnittgeschwindigkeit 200 m/min erreichen, und beim Trockenschneiden kann die Schnittgeschwindigkeit sogar 150 m/min erreichen. Wenn Gewindebohrer aus feinkörnigem Hartmetall zum Bearbeiten von Grauguss verwendet werden, kann die Schnittgeschwindigkeit 100 m/min erreichen.
Sinnvolle Auswahl von Schneidwerkzeugen je nach zu verarbeitendem Material
Die richtige Auswahl der Schneidwerkzeuge zur Bearbeitung der entsprechenden Werkstückmaterialien, um so die Bearbeitungsproduktivität zu verbessern und die Produktionskosten zu senken, ist ein sehr wichtiges Thema. Jedes Werkzeugmaterial hat seinen spezifischen Bearbeitungsbereich. Im Allgemeinen eignen sich CBN-, Metallkeramik-Schneidwerkzeuge, Keramik-Schneidwerkzeuge und beschichtete Schneidwerkzeuge zur Bearbeitung von Eisenmetallmaterialien wie Stahl. PCD-Schneidwerkzeuge eignen sich zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Nichteisenmetallen wie Aluminium, Magnesium, Kupfer und deren Legierungen sowie nichtmetallischen Materialien.
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Keramische Schneidwerkzeuge eignen sich für die Bearbeitung verschiedener Gusseisen, Stahlteile und nickelbasierter Hochtemperaturlegierungen. Verschiedene Sorten und keramische Schneidwerkzeuge haben unterschiedliche Bearbeitungsbereiche. Al2O3-basierte keramische Schneidwerkzeuge weisen eine gute Verschleißfestigkeit, Hitzebeständigkeit und gute chemische Hochtemperaturbeständigkeit auf und können für die Bearbeitung von Gusseisen, Stahl und deren Legierungen verwendet werden. Si3N4-basierte keramische Schneidwerkzeuge weisen eine gute Bruchzähigkeit und thermische Vibrationsbeständigkeit auf und eignen sich für die intermittierende Bearbeitung von Gusseisen und legiertem Gusseisen.
Fräswerkzeuge aus Metallkeramik haben nicht nur die Härte von Keramik, sondern auch die hohe Festigkeit von Hartmetall, eine gute Haftfestigkeit und Verschleißfestigkeit. Sie haben eine geringe Affinität zu Stahl und eignen sich für das Schneiden von Matrizenstahl mit mittlerer und hoher Geschwindigkeit. Wenn die Schnittgeschwindigkeit unter 750 m/min liegt, können Gusseisenteile bearbeitet werden.
Diamantschneidwerkzeuge eignen sich für die Bearbeitung von nichtmetallischen Werkstoffen, Nichteisenmetallen und deren Legierungen. Da Diamant eine schlechte thermische Stabilität und eine starke chemische Affinität zu Eisen aufweist, ist PCD nicht für die Bearbeitung von Stahlwerkstoffen geeignet. Diamant hat einen kleinen Reibungskoeffizienten, keine Affinität zu Nichteisenmetallen und Späne fließen leicht heraus. Es hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, es bildet sich beim Schneiden nicht leicht eine Aufbauschneide und es hat eine gute Oberflächenqualität. Es eignet sich am besten für die hochpräzise Bearbeitung von Nichteisenmetallen, Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Werkstoffen. Wie Kupfer, Aluminium und andere Nichteisenmetalle und deren Legierungen, Keramik, pulvergesinterte Hartmetalle, verschiedene faser- und partikelverstärkte Verbundwerkstoffe, Kunststoffe, Gummi, Graphit, Glas und verschiedene verschleißfeste Holzarten (insbesondere Verbundwerkstoffe wie Massivholz und Sperrholz).
Werkzeuge aus kubischem Bornitrid eignen sich für die Bearbeitung verschiedener gehärteter Stähle, thermischer Spritzmaterialien, Hartguss und kobalt- und nickelbasierter Materialien über 35 HRC. Je höher die Härte des bearbeiteten Materials ist, desto mehr können die Vorteile von Werkzeugen aus kubischem Bornitrid zum Tragen kommen. Im Ausland wurden auch CBN-Werkzeuge mit unterschiedlichem CBN-Gehalt entwickelt, um die Schneidleistung von CBN-Werkzeugen voll auszuschöpfen. Es wird berichtet, dass die Geschwindigkeit der BN-10-Bearbeitung von Grauguss 2000 m/min erreichen kann.
Durch die kontinuierliche Aktualisierung der Werkzeugmaterialien hat sich die Schneidverarbeitung in Richtung Hochgeschwindigkeit und Ultrahochgeschwindigkeit entwickelt. Verschiedene Werkzeugmaterialien werden auf die entsprechenden Werkstückmaterialien abgestimmt. Und mit unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeitsbereichen werden beschichtete Werkzeuge den Bereich des Hochgeschwindigkeitsschneidens dominieren. Die inhärenten Vorteile von Keramikwerkzeugen werden weiter ausgebaut. CBN und PCD werden beim Hochgeschwindigkeitsschneiden eine wichtige Position einnehmen und ihre Anwendungen werden immer umfangreicher. Die Intensivierung der Forschung und Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeugmaterialien wird für die Anwendung und Entwicklung der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie von großer Bedeutung sein.
Aus der Untersuchung des Hochgeschwindigkeitsschneidmechanismus geht hervor, dass sich die Metallentfernungsrate mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit erheblich verbessert. Die hohe Dehnungsrate des Materials (etwa 1,67 × 105/s bei einer Schnittgeschwindigkeit von 500 m/min und einer Schnitttemperatur von 1400 °C) führt dazu, dass sich der Spanbildungsprozess und die verschiedenen Phänomene, die an der Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück auftreten, von denen unter herkömmlichen Schnittbedingungen unterscheiden. Die Warmhärte und der Werkzeugverschleiß des Werkzeugs werden zum Schlüssel. Um Hochgeschwindigkeitsschneiden zu erreichen, müssen Werkzeugmaterialien und Werkzeugherstellungstechnologien unterstützt werden, die für das Hochgeschwindigkeitsschneiden geeignet sind.
Derzeit verwendete Materialien für Metallschneidwerkzeuge können in neun Kategorien unterteilt werden. Sie reichen von Schnellarbeitsstahl mit der niedrigsten Schnittgeschwindigkeit und der schlechtesten Verschleißfestigkeit bis hin zu polykristallinen Diamantwerkzeugen mit der besten Hochgeschwindigkeitsleistung. Für das Hochgeschwindigkeitsschneiden sind außerdem Werkzeugmaterialien mit guter Zähigkeit, starker Schlagfestigkeit und guter Verschleißfestigkeit erforderlich.
Im Allgemeinen werden bei gewöhnlichen Schneidprozessen häufig Werkzeuge mit geringer Leistung wie Schnellarbeitsstahl und unbeschichtetes Hartmetall verwendet, ihre Leistung bei hohen Geschwindigkeiten ist jedoch nicht gut. Hochleistungswerkzeuge wie polykristalline Diamantwerkzeuge sind die härtesten aller Werkzeugmaterialien. Sie weisen eine sehr hohe Verschleißfestigkeit und Geschwindigkeitsfähigkeit auf und die Schneidwärme hat fast keine Auswirkungen auf sie. Ihre Überlegenheit zeigt sich voll und ganz bei der Hochgeschwindigkeitsverarbeitung von Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Materialien. Allerdings ist ihre Schlagfestigkeit gering und ihre thermische Leistung beim Schneiden von Stahl- und Gusseisenmaterialien sehr schlecht. Denn beim Schneiden von Eisenmetallen bei hoher Geschwindigkeit diffundieren die Kohlenstoffatome im Werkzeugmaterial in das Werkstück, was zu erhöhtem Werkzeugverschleiß führt.
Hartmetallwerkzeuge werden am häufigsten verwendet und machen 80 % des Gesamtumsatzes verschiedener Werkzeuge aus. Beim Metallschneiden bei normaler Geschwindigkeit werden Hartmetallwerkzeuge verwendet. Hartmetall hat eine relativ gute Schlagzähigkeit, aber eine schlechte Hochgeschwindigkeitsleistung. Darüber hinaus müssen Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge auch eine extrem hohe thermische Härte und chemische Stabilität aufweisen, die Hartmetall nicht erfüllen kann.
CBN-Werkzeuge haben eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit und können harte Materialien bei hohen Temperaturen schneiden. Sie sind jedoch teuer und können keine weichen Metallmaterialien verarbeiten. Aluminiumbasierte Keramikmaterialien mit guter chemischer Stabilität sind gerade für diese Art der Verarbeitung geeignet, weisen jedoch keine thermische Härte auf und können nicht für die Hochgeschwindigkeitsverarbeitung verwendet werden.
Konzentrieren Sie sich auf die Vorteile von Werkzeugmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften und entwickeln Sie neue Werkzeugmaterialien. Eines der Hauptprobleme bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeugen besteht darin, ihnen sowohl Schlagzähigkeit als auch hohe Verschleißfestigkeit zu verleihen. Auf dem Werkzeuggrundmaterial mit relativ guter Schlagzähigkeit wird die Oberfläche mit Materialien mit guter thermischer Härte und Verschleißfestigkeit beschichtet. Das neue Werkzeug verfügt häufig über die Vorteile zweier Materialien, und dieser Werkzeugtyp hat ein breites Anwendungsspektrum beim Hochgeschwindigkeitsschneiden.
Unter der Führung dieser Idee sind nach und nach neue Verbundwerkzeuge wie hartmetallbeschichtete Werkzeuge, CBN-beschichtete Werkzeuge und PCD-beschichtete Werkzeuge erschienen. Sie eignen sich zum Hochgeschwindigkeitsschneiden verschiedener Metallmaterialien.
Beschichtete Hartmetallwerkzeuge, die für das Hochgeschwindigkeitsschneiden geeignet sind, verwenden Beschichtungsmaterialien mit guter Hitzebeständigkeit und hoher Härte sowie eine Mehrschichtbeschichtungstechnologie. Der Schneidbereich beschichteter Hartmetallwerkzeuge ist groß und die Lebensdauer lang. Die Schneidleistung ist viel besser als die von unbeschichtetem Hartmetall. Daher neigt beschichtetes Hartmetall dazu, gewöhnliches unbeschichtetes Hartmetall zu ersetzen.
Die Werkzeugbeschichtungstechnologie kann nicht nur bei gehärteten Hartmetallwerkzeugen eingesetzt werden, sondern hat auch gute Auswirkungen auf andere Werkzeugmaterialien wie Metallkeramik und Keramik.
Keramikwerkzeuge sind auch Werkzeuge, die zum Hochgeschwindigkeitsschneiden verwendet werden können, und sind in den letzten Jahren ein wichtiger Bestandteil der Forschung und Entwicklung im Bereich Werkzeugmaterialien. Whiskerverstärkte Keramikwerkzeuge sind Werkzeuge aus Spezialmaterialien. Aufgrund ihrer guten Schlagzähigkeit und hohen Temperaturwechselbeständigkeit eignen sie sich sehr gut für die Hochgeschwindigkeitsverarbeitung.
Ein weiteres Problem, das bei Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeugen gelöst werden muss, besteht darin, Spanbrechernuten einer bestimmten Geometrie auf der Klinge zu schleifen oder herauszupressen. Um einen Spanbruch zu erreichen und die Spanrichtung zu steuern, ist dies auch eine wichtige Technologie zur Verbesserung der Verarbeitungseffizienz und der Werkzeughaltbarkeit.
Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge sollten eine ausgezeichnete Schlagzähigkeit und Thermoschockbeständigkeit, eine bessere Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit und chemische Stabilität aufweisen. Außerdem sollten sie einen besseren Spanbrechereffekt haben und für einen größeren Metallschneidbereich geeignet sein.
Entwicklungstrend beim Hochgeschwindigkeitsschneiden
Entwickeln und fertigen Sie eine neue Generation von Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungswerkzeugmaschinen, um die Spindelleistung weiter zu verbessern und zu steigern.
Es müssen neue hochverschleißfeste und hitzebeständige Werkzeugmaterialien entwickelt und die Struktur der Hochgeschwindigkeitswerkzeuge weiter verbessert werden. Da Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge direkt den Nutzen, die Qualität und die Sicherheit des Hochgeschwindigkeitsschneidens bestimmen, sind sie die Grundlage für die Förderung und Implementierung der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie.
Entwickeln und fördern Sie neue Verfahren für Trocken- und Hartschneiden. In den letzten Jahren wurden im Ausland im Zuge der Entwicklung des Hochgeschwindigkeitsschneidens neue Verfahren für Trocken- und Hartschneiden (d. h. Schneiden gehärteter Werkstücke) entwickelt und angewendet. Da Trockenschneiden die Umwelt schont, kann Hartschneiden das Schleifen ersetzen und so die Arbeitseffizienz verbessern. Und es hat neue Entwicklungen gegeben, aber beide Schneidarten erfordern Hochleistungswerkzeugmaterialien.
