Разработка цельнокерамических фрезы открыло новые перспективы для обработки материалов на основе никелевых сплавов. По сравнению с инструментами из твердых сплавов, цельнокерамические инструменты могут повысить эффективность обработки в восемь раз.
Технический прогресс и постоянное развитие в области материаловедения продолжают способствовать повышению способности и эффективности обработки сложных деталей. Использование сплавов на основе никеля может значительно повысить общую эффективность паровых турбин. Монокристаллические рабочие колеса паровых турбин, изготовленные из сплавов на основе никеля, оснащены сложной системой охлаждающих канавок и керамических изоляционных слоев и будут использоваться в температурных условиях до 1450 °C. Эти уникальные механические и жаропрочные свойства предъявляют высокие требования к обработке. При обработке только одного реактивного движителя требуется около 3000 индексных вставок, в то время как для изготовления автомобиля в среднем требуется всего две индексные вставки.
Обеспечить более высокую скорость резки
Сплавы на основе никеля обладают высокой термостойкостью и плохой теплопроводностью, что может привести к возникновению высоких температур на поверхности реза. Это приводит к размягчению режущего материала. Из-за наличия в их микроструктуре легко абразивных карбидов инструмент имеет тенденцию к выходу из строя в условиях температурных и механических перегрузок. Инструменты из твердого металла с покрытием стабильно работают только при скоростях резания ниже 20 м/мин. Различные испытания показали, что скорость резания можно увеличить в 30-50 раз за счет резки керамическими материалами. Ключевым фактором является отличная термостойкость керамики.
Таким образом, температура может быть повышена до достаточно высокого уровня в процессе резки, чтобы размягчить материал заготовки и облегчить резку. Это позволяет войти в область технологии высокоскоростной резки (HSC). Фрезы, которые соответствуют индексируемым пластинам из керамических материалов, уже доступны на рынке, и такие инструменты также могут использоваться для черновой обработки турбинных колес. Однако по конструктивным причинам минимальный размер инструмента все еще ограничен. Диаметр наименьшего коммерческого инструмента в настоящее время составляет 32 мм. Для задач обработки, требующих меньших диаметров инструментов или сложных контуров резки, в дополнение к твердосплавным инструментам и инструментам HSS также могут использоваться шлифование и резка проволокой.
Сравнение имеющихся на рынке твердосплавных инструментов с покрытием и без покрытия с разработанными керамическими инструментами с точки зрения стандартного хода и объема резания за единицу времени показывает, что производительность можно увеличить в восемь раз при использовании цельнокерамических фрез.
Применение режущих возможностей современных керамических режущих материалов для этих целей стало исследовательским центром Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) в Берлине. Еще в 2006 году в рамках проекта «Cercut» компании Fraunhofer-Allianz High Performance Ceramics появились первые испытательные образцы керамических фрез. Эти инструменты успешно применялись в экспериментальных целях. Ввиду положительного отклика производителей и пользователей инструментов совместный институт продолжит продвигать уже выполненные опытно-конструкторские работы.
Содействие развитию цельнокерамических режущих инструментов
В январе 2008 года был запущен проект «Tech-Volk». С тех пор команда проекта усердно работала над разработкой полностью керамических фрез с профилями резания, подходящими для применения. Поскольку различные партнеры в проекте имеют свои собственные сильные стороны и рабочие фокусы, весь процесс можно рассматривать комплексно. От производства керамических заготовок, применения стратегий шлифования и обработки шлифовальных инструментов до резки конкретных заготовок на современных обрабатывающих центрах HSC, материалы заготовок варьируются от ковочных сплавов на основе никеля, таких как Nimonic 90, до литых сплавов, таких как MAR M247.
Для того чтобы иметь возможность адаптироваться к условиям нагрузки сложного процесса фрезерования HSC, режущие материалы должны соответствовать определенным специальным требованиям. Перерывы в процессе резания могут привести к большим изменениям нагрузки и колебаниям температуры на режущей кромке. В течение определенных промежутков времени режущая кромка может не находиться в состоянии резания, а температура поверхности режущей кромки остывает легче, чем температура внутри сердцевинного слоя. Из-за разницы в состояниях теплового расширения в области кромки инструмента образуются растягивающие напряжения, которые могут легко привести к трещинам.
Керамика более чувствительна к растягивающим напряжениям и поэтому особенно уязвима для этого механизма. Сухая обработка становится необходимой для этого режущего материала, так как охлаждающая смазка увеличит охлаждающий эффект инструмента и окажет дополнительное негативное влияние на рабочее состояние инструмента. Внутренний состав и структура Al2O3 и SiAlON, армированных нитевидными кристаллами карбида кремния, определяют, что эти материалы обладают характеристиками предотвращения образования трещин и повышения вязкости разрушения. Эти два режущих керамических материала уже были представлены на рынке в качестве индексных пластин и хорошо себя зарекомендовали в использовании.
Наиболее перспективным направлением развития является производство так называемой градуированной керамики. В связи с этим прочностные характеристики этого материала могут быть целенаправленно изменены последующей обработкой. Подобно стали посредством закалки, керамику можно также превратить в износостойкие края и нестойкие к разрушению сердцевинные области.
Перед полным процессом разработки керамики были проанализированы характеристики использования этих двух керамических материалов в качестве индексных вставок. В то же время была также изучена и оценена износостойкость материалов. Подробный анализ конструкции инструмента может быть достигнут путем механических измерений на заготовке в сочетании с моделированием FEM. Знания, полученные в результате практических испытаний, дополняются численно определенными пределами нагрузки. Это позволяет идентифицировать условия нагрузки, которые пагубно влияют на прочностные характеристики керамики. В то же время учитываются различные характеристики собственной вибрации различных форм инструментов. Благодаря целенаправленным настройкам инструментов и процессов можно не только значительно снизить износ инструмента и увеличить срок его службы, но и значительно улучшить геометрическое качество поверхности заготовки.
Для научно-исследовательского института принципиально важно иметь уникальные условия для изготовления инструментов на собственных высокоточных шлифовальных станках, последующего измерения их на инструментально-измерительном оборудовании и испытания на мощных обрабатывающих центрах HSC. Это позволяет добиться очень коротких циклов разработки и глубоких знаний о процессе.
