Фрезерный инструмент с ЧПУ Износ — одно из самых основных положений в обработке резанием. Определение и понимание износа инструмента может помочь производителям и пользователям инструментов продлить срок службы инструмента. Современные технологии покрытия инструментов предлагают эффективные средства для дальнейшего продления срока службы инструмента при значительном повышении производительности.
Механизм износа инструмента для обработки на станках с ЧПУ
Тепло и трение являются формами энергии, генерируемыми при резке металла. Тепло и трение, генерируемые высокими поверхностными нагрузками и высокой скоростью скольжения стружки по передней поверхности инструмента, помещают инструмент в очень сложную среду обработки.
Величина сил резания имеет тенденцию колебаться в зависимости от различных условий обработки (например, наличия твердых компонентов в материале заготовки или прерывистого резания). Поэтому для сохранения прочности при высоких температурах резания инструмент должен обладать некоторыми основными характеристиками, включая отличную прочность, износостойкость и высокую твердость.
Хотя температура резания на границе раздела инструмент/заготовка является ключевым фактором, определяющим скорость износа практически всех инструментальных материалов, очень сложно определить значение параметра, необходимое для расчета температуры резания. Однако результаты измерений при испытаниях на резку могут стать основой для некоторых эмпирических методов.
В целом можно предположить, что энергия, вырабатываемая при резке, преобразуется в тепло, и обычно 80% этого тепла уносится стружкой (эта пропорция варьируется в зависимости от нескольких факторов, особенно скорости резания). Оставшиеся 20% или около того передаются инструменту. Даже при резке умеренно твердых сталей температура инструмента может превышать 550°C, что является максимальной температурой, которую может выдерживать быстрорежущая сталь без снижения своей твердости. При резке закаленной стали инструментами из поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN) температура инструмента и стружки обычно превышает 1000°C.
Износ и срок службы режущего инструмента
Износ инструмента обычно включает в себя следующие типы: износ по задней поверхности; износ с образованием задиров; износ с образованием лунок; затупление режущей кромки; выкрашивание режущей кромки; трещины на режущей кромке; катастрофический отказ.
Не существует общепринятого определения срока службы инструмента, который обычно зависит от различных заготовок и материалов инструмента, а также различных процессов резания. Один из способов количественного анализа конечной точки срока службы инструмента — установить приемлемый максимальный предел износа задней поверхности (обозначаемый VB или VBmax). Срок службы инструмента может быть выражен формулой Тейлора для ожидаемого срока службы инструмента, то есть,
VcTn=C
Более распространенная форма этой формулы:
VcTn×Dxfy=C
Где Vc — скорость резания; T — срок службы инструмента; D — глубина резания; f — скорость подачи; x и y определяются экспериментально; n и C — константы, определяемые из экспериментов или опубликованных технических данных, которые представляют характеристики материала инструмента, заготовки и скорости подачи.
Непрерывное развитие оптимальных инструментальных подложек, покрытий и технологий подготовки режущей кромки имеет важное значение для ограничения износа инструмента и сопротивления высоким температурам резки. Эти факторы, вместе со стружколомом и радиусом угловой дуги, используемыми на индексируемой пластине, определяют пригодность каждого инструмента для различных заготовок и операций резки. Лучшая комбинация всех этих факторов может продлить срок службы инструмента и сделать операции резки более экономичными и надежными.
Изменение базы инструментов
Изменяя размер частиц карбида вольфрама в диапазоне 1-5 мкм, производители инструментов могут изменять свойства матрицы твердосплавных инструментов. Размер частиц основного материала играет важную роль в производительности резания и сроке службы инструмента. Чем меньше размер частиц, тем лучше износостойкость инструмента. Напротив, чем больше размер частиц, тем прочнее и жестче инструмент. Мелкозернистая матрица в основном используется для обработки лезвий из материалов аэрокосмического класса (таких как титановый сплав, сплав Inconel и другие высокотемпературные сплавы).
Кроме того, путем увеличения содержания кобальта в инструментальных материалах из твердого сплава на 6%-12% можно получить лучшую прочность. Таким образом, содержание кобальта можно регулировать в соответствии с требованиями конкретного процесса резания, будь то требования прочности или износостойкости.
Производительность матрицы инструмента также может быть улучшена путем формирования слоя, обогащенного кобальтом, вблизи внешней поверхности или путем выборочного добавления других легирующих элементов (таких как титан, тантал, ванадий, ниобий и т. д.) в материал из твердого сплава. Слой, обогащенный кобальтом, может значительно повысить прочность режущей кромки, тем самым улучшая производительность инструментов для черновой и прерывистой обработки.
Кроме того, при выборе матрицы инструмента, соответствующей материалу заготовки и методу обработки, также учитываются пять других свойств матрицы — вязкость разрушения, прочность на поперечный излом, прочность на сжатие, твердость и стойкость к тепловому удару. Например, если твердосплавный инструмент испытывает сколы вдоль режущей кромки, следует использовать базовый материал с более высокой вязкостью разрушения. В случае прямого отказа или повреждения режущей кромки инструмента возможным решением является использование базового материала с более высокой прочностью на поперечный излом или более высокой прочностью на сжатие. Для ситуаций обработки с более высокими температурами резания (например, сухая резка) обычно следует отдавать предпочтение инструментальным материалам с более высокой твердостью. В ситуациях обработки, когда можно наблюдать термические трещины в инструменте (чаще всего при фрезеровании), рекомендуется использовать инструментальные материалы с лучшей стойкостью к тепловому удару.
Оптимизация и улучшение базового материала инструмента может улучшить режущие характеристики инструмента. Например, базовый материал лезвия Sumo Tec от Iscar для обработки стальных деталей имеет лучшую устойчивость к пластической деформации, что может снизить вероятность появления микротрещин в твердом и хрупком покрытии лезвия. Благодаря вторичной обработке лезвий Sumo Tec шероховатость поверхности и микротрещины его покрытия уменьшаются, тем самым уменьшая теплоту резания на поверхности лезвия и возникающую в результате пластическую деформацию и микротрещины. Кроме того, новая основа для вставок для обработки чугуна имеет лучшую термостойкость, что позволяет использовать более высокие скорости резания.
Выберите правильное покрытие
Покрытия также помогают улучшить режущие характеристики инструмента. Современные технологии покрытия включают:
- Покрытие из нитрида титана (TiN): это универсальное PVD- и CVD-покрытие, которое может повысить твердость и температуру окисления инструмента.
- Покрытие из карбонитрида титана (TiCN): добавление углерода к TiN улучшает твердость и качество поверхности покрытия.
- Покрытия из нитрида титана и алюминия (TiAlN) и нитрида титана и алюминия (AlTiN): Совместное нанесение слоя оксида алюминия (Al2O3) и этих покрытий может улучшить срок службы инструмента при высокотемпературной резке. Покрытия из оксида алюминия особенно подходят для сухой и почти сухой резки. Покрытия AlTiN имеют более высокое содержание алюминия и более высокую твердость поверхности, чем покрытия TiAlN, которые имеют более высокое содержание титана. Покрытия AlTiN обычно используются для высокоскоростной резки.
- Покрытие из нитрида хрома (CrN): это покрытие обладает лучшими антиадгезионными свойствами и является предпочтительным решением для борьбы с наростообразованием.
- Алмазное покрытие: Алмазное покрытие может значительно улучшить режущую способность инструментов для обработки цветных металлов и очень подходит для обработки графита, композитов с металлической матрицей, высококремнистых алюминиевых сплавов и других высокоабразивных материалов. Однако алмазное покрытие не подходит для обработки стальных деталей, поскольку его химическая реакция со сталью разрушит адгезию между покрытием и подложкой.
В последние годы доля рынка инструментов с покрытием PVD увеличилась, а их цена сопоставима с ценой инструментов с покрытием CVD. Толщина покрытия CVD обычно составляет 5-15 мкм, тогда как толщина покрытия PVD составляет около 2-6 мкм. При нанесении на основу инструмента покрытия CVD создают нежелательные растягивающие напряжения; покрытия PVD способствуют созданию полезных сжимающих напряжений на основе. Более толстые покрытия CVD часто значительно снижают прочность режущих кромок инструмента. Поэтому покрытия CVD нельзя использовать на инструментах, требующих очень острых режущих кромок.
Использование новых легирующих элементов в процессе нанесения покрытия позволяет улучшить адгезию и эксплуатационные характеристики покрытия.
Подготовка передового края
Во многих случаях подготовка режущей кромки (или пассивация кромки) пластины стала водоразделом, который определяет успех или неудачу процесса обработки. Параметры процесса пассивации должны быть определены в соответствии с конкретными требованиями обработки. Например, требования к пассивации кромки пластины, используемой для высокоскоростной чистовой обработки стальных деталей, отличаются от требований к пластине, используемой для черновой обработки. Пассивация кромки может применяться к пластинам для обработки практически любого типа углеродистой стали или легированной стали, но ее применение несколько ограничено пластинами для обработки нержавеющей стали и специальных сплавов. Количество пассивации может быть всего 0,007 мм или большим 0,05 мм. Для улучшения режущей кромки в жестких условиях обработки пассивация кромки может также образовывать крошечную Т-образную ленту.
В общем, пластины, используемые для непрерывных токарных операций и фрезерования большинства сталей и чугунов, требуют большой степени пассивации кромок. Количество пассивации зависит от марки карбида и типа покрытия (покрытие CVD или PCD). Для пластин с тяжелыми прерывистыми операциями резания тяжелая пассивация кромок или обработка полос T-ребра стали обязательным условием. В зависимости от типа покрытия количество пассивации может быть близко к 0,05 мм.
Напротив, поскольку пластины для обработки нержавеющей стали и жаропрочных сплавов склонны к образованию наростов на кромке, режущая кромка должна оставаться острой и может быть лишь слегка пассивирована (всего 0,01 мм), или даже может быть настроена меньшая степень пассивации. Аналогично, пластины для обработки алюминиевых сплавов также требуют острых режущих кромок. Спиральные режущие кромки могут выдерживать большие нагрузки резания, достигать более высоких скоростей съема металла и снижать напряжение. Еще одним преимуществом спиральных режущих кромок является то, что они могут продлить срок службы инструмента за счет снижения давления резания и тепла резания, действующего на инструмент.
