В настоящее время в производстве промышленных деталей все более широко используются различные труднообрабатываемые материалы, такие как закаленная сталь, сверхтвердый спеченный металл, жаропрочные суперсплавы, биметаллические материалы и т. д. Хотя детали из таких материалов могут достигать превосходных эксплуатационных характеристик, они также приносят проблему: как добиться окончательной формовки деталей при разумной стоимости за штуку.
К счастью, поставщики режущего инструмента с ЧПУ успешно разработали различные новые режущие пластины для фрезерования и токарной обработки труднообрабатываемых материалов. Такие как покрытые твердосплавные пластины, металлокерамические пластины, пластины CBN, пластины PCD и т. д. Эти новые пластины из материалов используют специальные геометрии и покрытия поверхности, обладают превосходной износостойкостью и могут выдерживать механические и термические удары во время обработки. Однако, как использовать эти режущие пластины разумно и эффективно в производстве, требует тесного сотрудничества с поставщиками инструментов, которые обладают профессиональными знаниями.
Поскольку стоимость режущих пластин относительно невысока (как правило, стоимость твердосплавных пластин составляет всего 3% от общей стоимости обработки, а пластины CBN составляют от 5% до 6% от общей стоимости обработки), может быть невыгодно слепо выбирать более дешевые пластины для экономии затрат на обработку. Хотя новые материальные пластины стоят дороже, они могут сократить время обработки, продлить срок службы инструмента и улучшить качество продукции, поэтому они могут иметь более высокую экономическую эффективность.
С другой стороны, слепой выбор новых материалов пластин без учета реальных потребностей в обработке может также увеличить затраты на обработку (стоимость пластин CBN может быть в 8-10 раз выше, чем твердосплавных пластин). Кроме того, при использовании новых материалов пластин, если используются неправильные скорости резания и подачи, также пострадает качество обработки заготовки и срок службы инструмента. Поэтому при выборе режущих пластин для труднообрабатываемых материалов необходимо правильно оценить экономическую эффективность обработки и комплексно рассмотреть весь процесс обработки.
Какие факторы следует учитывать при выборе режущих пластин
При выборе режущих пластин необходимо оценить всю задачу обработки. При условии соответствия требованиям к размерной точности заготовки и чистоте поверхности, а также принимая во внимание время обработки и замену пластин, относительно недорогие твердосплавные пластины могут обеспечить лучшую экономичность обработки. Благодаря точному пониманию и всестороннему взвешиванию производственной партии, времени обработки и производительности пластин, режущие пластины можно разумно выбирать для достижения эффекта обработки, заключающегося в повышении производительности.
Если взять в качестве примера фрезерование лопаток газовых турбин из спеченного карбида титана, то при небольшом размере партии заготовок использование покрытых твердосплавных пластин также может обеспечить лучшие результаты обработки. При скорости резания 35 м/мин срок службы режущей кромки твердосплавных пластин составляет всего 5–10 минут, в то время как разумный срок службы пластин для крупномасштабной обработки труднообрабатываемых заготовок обычно составляет 15–30 минут. При мелкосерийной обработке влияние более короткого срока службы пластин и более частой замены пластин на производительность неочевидно; но при крупномасштабной обработке с полной нагрузкой более длительный срок службы пластин имеет жизненно важное значение для сокращения вспомогательного времени смены инструмента, снижения трудоемкости и улучшения использования станков и производственных мощностей. Поэтому при большом размере партии лопаток турбины может быть более разумным использовать пластины из КНБ с более высокой твердостью и более высокой ценой.
Для того чтобы полностью использовать производительность резания усовершенствованных пластин из материалов, необходимо также выбрать правильную скорость подачи и резания. Если взять в качестве примера пластины CBN, то режущие кромки этих пластин были укреплены и пассивированы, что позволяет эффективно избегать сколов при резке материалов заготовок с твердостью >50HRC. Хотя пластины CBN обладают превосходной прочностью, выбор параметров резания по-прежнему очень строг. Если выбранная скорость резания на 10% выше или ниже идеального значения, производительность резания пластин может значительно снизиться.
Для реализации резки труднообрабатываемых материалов вы можете рассмотреть возможность обращения за технической поддержкой к профессиональным поставщикам инструментов, которые могут предоставить разумные решения на основе других аналогичных примеров обработки. Когда требуются испытания резки, обычно можно использовать методы проб и ошибок, то есть сначала резку твердосплавными пластинами, а затем переключение на новые материальные пластины для сравнительной резки, чтобы сравнить эффекты обработки различных пластин. Усовершенствованные формы пластин, высокожесткие держатели инструментов и оптимизированные процедуры обработки обычно могут сделать более дешевые твердосплавные пластины подходящими для резки труднообрабатываемых материалов. Необходимость замены пластин на новые материалы следует определять в соответствии с конкретными задачами обработки и условиями обработки. Для одной и той же категории труднообрабатываемых материалов обычно существуют определенные общие черты в выборе режущих пластин.
В настоящее время многие заготовки из легированной стали предъявляют все более высокие требования к твердости. В прошлом твердость инструментальной стали обычно составляла 45HRC, но теперь инструментальная сталь, используемая в пресс-формах, как правило, должна быть закалена до 63HRC. Чтобы избежать деформации при термообработке, некоторые формы, которые в прошлом можно было разрезать только перед термообработкой, необходимо прецизионно фрезеровать в полностью закаленном состоянии. При фрезеровании полностью закаленной стали теплота резки и давление резки могут вызвать пластическую деформацию режущих пластин и привести к быстрому выходу пластин из строя. Например, при фрезеровании закаленной стали с твердостью 60HRC (твердость карбидных частиц в материале может достигать 90HRC) обычные покрытые твердосплавные пластины будут испытывать быстрый износ задней поверхности
Хотя закаленная сталь трудно режется, полностью закаленные стальные заготовки можно экономично обрабатывать с использованием твердосплавных пластин. Если взять в качестве примера обработку деталей аэрокосмической отрасли, то после замены исходных металлокерамических пластин на твердосплавные пластины вторичная обработка отверстий крупногабаритных поковок из закаленной стали 3000M (модифицированной 4340) была успешно завершена. Большая часть припуска на обработку обработанного отверстия была удалена перед термической обработкой (твердость материала 30 ~ 32HRC), но для исправления деформации термической обработки прецизионные отверстия на таких крупногабаритных заготовках должны быть полностью закалены после заготовки (твердость достигает 54 ~ 55HRC) для вторичной резки. Поскольку обрабатываемое отверстие расположено глубоко в заготовке, особая топография заготовки делает обработку довольно сложной, поэтому для достижения требуемой точности размеров и чистоты поверхности требуется три прохода резки.
Высокая твердость материала в сочетании с прерывистым методом резки приводит к тому, что режущая кромка оригинальных металлокерамических пластин разрушается и становится неэффективной до завершения одного прохода резки. Разрушенные пластины могут привести к риску поломки заготовки. После перехода на мелкозернистые твердосплавные пластины с покрытием PVD прочность и острота инструмента значительно повышаются, и резка может быть успешно завершена за 6–9 проходов. После перехода на твердосплавные пластины поставщик инструмента рекомендовал снизить скорость резки с исходных 90 м/мин до 53 м/мин, но глубина резки осталась неизменной. После снижения скорости резки требуется около 20 минут, чтобы завершить три прохода резки отверстия твердосплавными пластинами, в то время как изначально обработка металлокерамическими инструментами занимала более часа. Что еще более важно, это повышает безопасность режущей кромки твердосплавных пластин, значительно снижая риск поломки дорогостоящих заготовок из-за сколов инструмента.
Для получения разумных параметров резания для твердосплавных пластин, фрезерующих закаленную сталь, можно провести испытания инструмента на резку. Во время пробной резки скорость резания обычно можно выбирать от 30 м/мин до 45-55 м/мин; скорость подачи обычно составляет 0,075-0,1 мм/зуб. Вообще говоря, пластины с нулевым передним углом или небольшим отрицательным передним углом прочнее, чем пластины с положительным передним углом. При обработке закаленной стали также выгоднее использовать круглые твердосплавные пластины, поскольку круглые пластины обладают более высокой прочностью, а тупую режущую кромку нелегко сломать.
При выборе марок твердосплавных пластин рассмотрите возможность использования марок с высокой прочностью. Безопасность режущей кромки таких пластин лучше и может выдерживать большую радиальную силу резания и сильный удар при резке закаленной стали. Кроме того, специально разработанные марки твердосплавных пластин для высоких температур могут выдерживать большое количество тепла, выделяемого при резке закаленной стали (HRC60). Ударопрочные твердосплавные пластины с покрытием из оксида алюминия также могут выдерживать высокие температуры, возникающие при фрезеровании закаленной стали.
явставить побработка пветочка АЛлой
С непрерывным развитием технологии порошковой металлургии бесконечным потоком появляются различные сверхтвердые спеченные металлические (порошковые сплавы) материалы, используемые в различных областях. Например, производитель разработал композитный порошковый никелевый сплав, содержащий частицы карбида вольфрама (WC) или карбида титана (TiC), с твердостью 53-60HRC, а твердость карбидных частиц в матрице никелевого сплава может достигать 90HRC. При фрезеровании этого материала покрытые твердосплавные пластины вскоре изнашивают заднюю поверхность, а основная режущая кромка изнашивается; сверхтвердые частицы в микроструктуре материала вызывают «микровибрацию», приводящую к ускоренному износу пластин; сдвиговое напряжение, возникающее при резке заготовки, также может привести к поломке твердосплавных пластин.
Использование вставок CBN может лучше решить проблему резки твердых порошковых сплавов, содержащих частицы карбида вольфрама и карбида титана. Улучшенная геометрия вставок может эффективно преодолевать явление «микровибрации». Когда пользователь фрезеровал заготовку из композитного порошкового сплава, он обнаружил, что срок службы новых вставок CBN был более чем в 2000 раз больше, чем у лучших твердосплавных вставок. Испытания на резку показали, что эффективность обработки твердых порошковых сплавов (скорость резания 60 м/мин, скорость подачи 0,18 мм/кромку) может быть увеличена на 75% по сравнению с электроэрозионной обработкой (проволочной резкой) с использованием торцевой фрезы, оснащенной 5 вставками CBN.
Для того чтобы полностью использовать наилучшую производительность пластин CBN, параметры резания должны строго контролироваться в разумных пределах. Хотя скорость резания около 50 м/мин и скорость подачи 0,1-0,15 мм/зуб не являются высокими, они могут обеспечить высокую производительность при обработке материалов из порошковых сплавов. Оптимальные параметры резания можно точно определить с помощью 30-60-секундного пробного реза. Во время пробного реза можно начать с низкой скорости и постепенно увеличивать скорость резания до тех пор, пока режущая кромка пластины не будет чрезмерно изношена.
При обработке труднообрабатываемых материалов обычно следует использовать сухую резку, чтобы поддерживать постоянную температуру режущей кромки пластины. В большинстве случаев наилучший эффект обработки обеспечивает круглый инструмент с двойной отрицательной угловой геометрией, а глубину резания обычно следует контролировать на уровне 1-2 мм.
Фрезерование — это прерывистый процесс резания. Во время обработки непрерывное воздействие материалов заготовки с твердостью 60HRC или выше на инструмент вызовет огромное напряжение обработки. Поэтому для обеспечения достаточно высокой ударопрочности при фрезеровании обрабатывающий станок и система инструмента должны иметь максимальную жесткость, минимальную длину вылета и максимальную прочность.
Вставки Обработка Жаропрочных Суперсплавов
Жаропрочные суперсплавы (HRSA), разработанные для аэрокосмической промышленности, в настоящее время все чаще используются в автомобильной, медицинской, полупроводниковой, энергетическом оборудовании и других отраслях. В дополнение к распространенным жаропрочным суперсплавам (таким как Inconel 718/625, Waspalloy, титановый сплав 6A14V и т. д.) были разработаны различные новые сплавы на основе титана и сплавы на основе алюминия и магния. Все жаропрочные суперсплавы относятся к категории труднообрабатываемых материалов.
Суперсплавы обладают высокой твердостью, а твердость обработки некоторых марок титановых сплавов достигает 330HB. Для обычных сплавов, когда температура в зоне резания превышает 1100℃, молекулярные цепи связи в материале размягчаются, и появляется зона течения, способствующая образованию стружки. Напротив, превосходная стойкость к высоким температурам жаропрочных суперсплавов позволяет им сохранять высокую твердость на протяжении всего процесса резания.
Жаропрочные суперсплавы также имеют тенденцию к холодной закалке при резке, что может легко привести к преждевременному образованию сколов и выходу из строя режущих пластин. Во время резки на поверхности реза заготовки будет образовываться износостойкий слой холоднозакаленной окалины, что приведет к быстрому износу режущей кромки пластины.
Учитывая сложность обработки суперсплавов, при обработке обычно используют более низкие скорости резания. Например, скорость резания при фрезеровании тормозных ключей из суперсплава Inconel 718 с твердосплавными пластинами составляет 60 м/мин; скорость резания при наружной цилиндрической/торцевой обработке Inconel 718 с CBN-пластинами составляет 80 м/мин. Напротив, скорость резания при резании инструментальной стали с твердосплавными пластинами без покрытия может достигать 120-240 м/мин. Скорость подачи при резании суперсплавов обычно эквивалентна скорости подачи при резании инструментальной стали.
При обработке суперсплавов выбор режущих пластин в основном зависит от обрабатываемого материала и типа заготовки. Для повышения эффективности обработки твердосплавные пластины с положительным передним углом режущих кромок могут использоваться при обработке тонкостенных заготовок, в то время как керамические пластины с отрицательным передним углом режущих кромок требуются при обработке толстостенных заготовок для усиления эффекта «вспахивания» пластин во время резки. Для большинства труднообрабатываемых материалов следует отдавать предпочтение сухой резке, чтобы поддерживать постоянную температуру режущей кромки пластины. Но при обработке титановых сплавов охлаждающая жидкость должна использоваться даже при низких скоростях резания.
Поскольку жаропрочные суперсплавы сохраняют высокую твердость во время резки, износ скошенного конца режущих пластин ускоряется. Использование круглых пластин с тупыми режущими кромками может значительно повысить прочность режущей кромки, но тенденция к наклепу суперсплавов может привести к более сильному выкрашиванию пластины. Изменяя глубину резания во время нескольких последовательных проходов, пластины могут избежать слоя наклепа, образующегося на поверхности заготовки, тем самым уменьшая выкрашивание пластины и продлевая срок службы режущей кромки. Глубина резания может варьироваться на 7,6 мм для одного прохода и на 3,2 мм и 2,5 мм для последующих проходов.
Вставки для биметаллических материалов
Биметаллические материалы состоят из более твердых материалов, размещенных в выбранных областях, подверженных износу, а затем окруженных (или смешанных) с другими более мягкими сплавами. Биметаллические материалы все чаще используются в автомобильной промышленности и других отраслях, но они также создают особые проблемы обработки. Пластины CBN могут эффективно резать твердые сплавы с твердостью более 50HRC, но могут сломаться при резке мягких сплавов в биметаллических материалах. Пластины PCD могут резать износостойкие алюминиевые сплавы, но склонны к чрезмерному износу при резке черных металлов.
Для эффективной обработки биметаллических материалов пользователи, поставщики инструментов и производители станков должны совместно разрабатывать точные программы резки. Например, определенный биметаллический материал изготавливается путем внедрения высокотвердого композитного порошкового сплава в недорогую матрицу из нержавеющей стали 316 с помощью процесса горячего изостатического прессования. Во время обработки необходимо составить программу траектории инструмента спиральной интерполяции и ввести ее в систему управления станком для обработки сначала детали из порошкового сплава, а затем детали матрицы с оптимизированной скоростью подачи и скоростью резания.
Для эффективной обработки биметаллического блока цилиндров, состоящего из алюминиевого сплава и чугунной прокладки головки блока цилиндров, автопроизводители должны преодолеть как износостойкость алюминиевого сплава, так и высокую твердость чугуна. Поскольку более твердую чугунную прокладку головки блока цилиндров (подверженную износу часть) трудно отделить от более мягкого блока цилиндров из алюминиевого сплава, нецелесообразно использовать отдельный метод обработки. Однако, рационально программируя станок, используя очень низкие скорости резания и очень малую глубину резания, износостойкие вставки PCD могут использоваться для обработки как алюминиевого сплава, так и чугуна, что позволяет избежать частой смены инструмента в процессе обработки.
