В отрасли производства авиационных двигателей свойства материалов постоянно улучшаются, и технология обработки на станках с ЧПУ для труднообрабатываемых материалов (высокотемпературных сплавов) стала общей проблемой в отрасли. Керамические режущие инструменты обладают характеристиками высокой твердости, хорошей износостойкостью и термостойкостью, превосходной химической стабильностью и нелегко соединяются с металлами. Они стали одним из основных инструментальных материалов для высокоскоростной резки высокотемпературных сплавов. Более того, оптимальная скорость резки керамических инструментов в 8-10 раз выше, чем у инструментов из твердого сплава, что может значительно повысить эффективность резки. В настоящее время постоянно появляются новые керамические инструменты, и керамические инструменты будут составлять от 15% до 20% инструментов механической обработки во всем мире. Их разработка может вызвать еще одну революцию в области обработки резанием.
Недостатки твердосплавного инструмента при обработке жаропрочных материалов
Высокотемпературные сплавы (в основном на основе никеля или кобальта) обладают превосходной стабильностью и сопротивлением ползучести при высоких температурах. GH4169 имеет высокую твердость при комнатной температуре (до HRC35-47) и хорошую вязкость. Однако по сравнению с деталями из обычной стали его производительность обработки плохая, а процесс резки потребляет больше энергии.
За последние 10 лет применение твердосплавные инструменты для обработки высокотемпературных сплавов на основе титана, никеля и кобальта получил широкую популярность. Высокая твердость и высокая прочность карбидных материалов при рабочих температурах ниже 600 °C делают его идеальным инструментом для резки высокотемпературных сплавов и титановых сплавов. Однако твердосплавные инструменты имеют фатальную слабость. Его температура плавления составляет около 1200 °C. Когда температура в зоне резания превышает 800 °C, прочность и твердость лезвия значительно снижаются, а износ увеличивается. Даже сложно выполнить обычную резку.
Поэтому при использовании твердосплавных инструментов для резки материалов из жаропрочных сплавов, чтобы избежать чрезмерно высоких температур в зоне резания, линейная скорость может поддерживаться только на уровне около 40 м/мин. Для деталей с большим припуском на обработку из-за низкой скорости резания скорость съема металла очень низкая, машинное время очень долгое, а себестоимость продукции значительно увеличивается. Это делает потенциал современных станков с ЧПУ далеко не полностью использованным. С постоянным улучшением производительности новых двигателей и появлением новых материалов твердосплавные инструменты было трудно адаптировать. Поэтому поиск более идеального режущего инструмента стал главным приоритетом.
Преимущества керамических режущих инструментов для обработки высокотемпературных материалов
Еще 20 лет назад компании по производству авиационных двигателей в развитых странах (например, GE в США и Rolls-Royce в Великобритании) начали использовать керамические инструменты для обработки высокотемпературных сплавов. Самая большая особенность керамических материалов — их высокая температура плавления (выше 2000 ℃). Твердость не сильно падает при 1200 ℃. Это идеальный материал для замены твердосплавных инструментов для достижения высокоскоростной резки. Однако в моей стране по разным причинам использование таких инструментов не получило широкого распространения.
Формирование стружки при обработке резанием является типичным процессом большой деформации, включающим нелинейность материала, геометрическую нелинейность и граничную нелинейность. В процессе высокоскоростной резки это также включает проблемы термического сопряжения.
Известные специалисты по резке Писнен и Мерчант указали на механизм образования стружки, предложенный еще в 1945 году. Под действием силы сдвига (резки) границы зерен вблизи поверхности сдвига начинают разрываться и деформироваться, отделяться от матрицы, образуя стружку, и выделять много тепла. Фактически, около 80% тепла резания выделяется именно этим.
Суть использования керамических инструментов для достижения высокоскоростной резки заключается в том, чтобы в полной мере использовать высокотемпературные характеристики керамических материалов. Увеличение скорости резки приведет к непрерывному накоплению тепла резки, температура зоны резания увеличится, стружка будет размягчена, и резка станет очень легкой. Хотя прочность и износостойкость керамических материалов значительно отличаются от прочности и износостойкости материалов из твердого сплава, их высокая температурная стабильность намного превосходит возможности инструментов из твердого сплава. Поэтому увеличение линейной скорости является наиболее эффективным способом повышения температуры зоны резания. Теоретически скорость резания и скорость съема металла керамическими инструментами должны быть в 5-10 раз или даже больше, чем у инструментов из твердого сплава.
При продвижении производители инструментов только предполагали, что керамические инструменты подходят для обработки материалов выше HRC55, и нет соответствующих отчетов о материалах ниже HRC55. В этой статье рассказывается о моем собственном опыте обработки материалов ниже HRC55.
Из-за длительного использования инструментов из твердого сплава операторы привыкли к низкоскоростной резке, и этот метод обработки, подходящий для твердого сплава, как раз и является самым большим табу в обработке керамических инструментов. При использовании керамических инструментов операторы из соображений безопасности всегда боятся увеличивать скорость и даже надеются использовать керамические инструменты на обычных токарных станках. Большинство проблем, с которыми сталкивались при использовании керамических инструментов в прошлом, были вызваны недостаточной скоростью резания.
Вопросы, требующие внимания при обработке керамических режущих инструментов
Скорость — это ключ к сроку службы лезвия. Мы должны изменить свое мышление и смело увеличивать скорость резки. Обеспечение достаточного количества тепла резки в процессе резки является ключом к улучшению срока службы инструмента. Однако чем выше скорость резки, тем лучше. Если температура резки слишком высока, слишком много тепла резки не может быть отведено и остается в матрице, что приводит к повышению температуры деталей и их деформации из-за термического напряжения. Кроме того, в ходе испытания мы обнаружили, что как только скорость превышает определенный предел, лезвие изнашивается очень быстро.
Износостойкость керамических материалов не такая высокая, как у твердого сплава. Если выполнять несколько резов с одинаковой глубиной резания, в точке контакта лезвия с деталью неизбежно появится канавочный износ, перпендикулярный лезвию. Поэтому необходимо постоянно менять точку контакта лезвия с заготовкой. Этот метод очень эффективен для продления срока службы лезвия.
По сравнению с цементированным карбидом керамические материалы все еще относительно хрупкие. Поэтому вибрация должна быть решительно устранена в процессе резки. Для этого требуется, чтобы станок имел достаточную мощность, шпиндель вращался плавно, подача была равномерной, а маршрут резки был «толкающим». Не пытайтесь использовать керамические инструменты на обычных станках.
Для материалов различной твердости следует выбирать разумные параметры резания и траектории инструмента. Оптимизируйте комбинацию подачи и скорости резания, только так можно гарантировать эффективную резку.
Если на передней части лезвия происходит локальное сколотье, оно вызвано давлением, создаваемым повышенным износом на боковой стороне. Это явление обычно не влияет на производительность инструмента. Фактически, после того, как передняя часть лезвия сколота, будет получено новое острое лезвие, и резка может продолжаться с удовлетворительными результатами резки. При тонкой обработке «сколотье» повлияет на отделку и приведет к образованию «заусенцев». При «сколотье» перед лезвием можно увидеть искры. Эта искра вызвана высокотемпературной железной стружкой, проходящей через шероховатую поверхность лезвия. Подачу следует уменьшить, чтобы завершить эту резку.
Перед следующей резкой проверьте, не нужно ли заменить лезвие. При грубой обработке используйте в полной мере «сколотое» лезвие и не принимайте поспешных решений отказаться от лезвия. «Сколотое» лезвие можно продолжать использовать до тех пор, пока оно действительно не сможет резать.
Керамические лезвия не будут серьезно ломаться и вызывать несчастные случаи, если не будут допущены серьезные ошибки. Основными формами износа керамических лезвий являются сколы и износ задней поверхности. Так называемый износ задней поверхности представляет собой прогрессирующую форму износа, которая существует во всех видах инструментов. Степень его износа и соответствующая скорость резания являются показателями срока службы инструмента. Для деталей из сплава на основе никеля износ канавок керамических лезвий происходит на линии глубины резания. Идеальный метод применения должен заключаться в том, чтобы износ канавок достигал максимума, а износ задней поверхности также достигал максимума. Износ канавок допускается до 1/3 толщины лезвия. Быстрый износ канавок или сколы часто возникают в зоне резания, что вызвано недостаточным нагревом в зоне резания. Его можно исправить, увеличив скорость резания или уменьшив подачу или отрегулировав и то, и другое одновременно.
Траектория инструмента для твердосплавных инструментов должна отличаться от траектории керамических лезвий. Керамические лезвия быстро выходят из строя из-за износа канавок. Метод программирования и траектория инструмента для резки керамическим инструментом не полностью совпадают с таковыми для твердосплавных инструментов. Необходимо использовать соответствующие траектории инструмента и параметры резки.
Керамические инструменты не подходят для чистовой обработки тонкостенных деталей с толщиной стенки менее 2 мм. Твердосплавные инструменты все равно следует использовать. Заключение Керамические материалы являются наиболее перспективными и конкурентоспособными инструментальными материалами в 21 веке. Их разработка может вызвать очередную революцию в области обработки резанием. Хотя мы приобрели некоторый опыт в процессе попыток, нам все еще необходимо проводить дальнейшие эксперименты для расширения ассортимента обрабатываемых материалов. Только освоив производительность керамических инструментов, мы сможем лучше применять их для обработки жаропрочных сплавов.
