Современные материалы и инструменты

Современный инструмент принято рассматривать как систему, на функционирование которой влияют геометрия инструмента, материал рабочей части и покрытие. Все элементы дополняют друг друга, и неправильный выбор одного из них может значительно ухудшить общие результаты. Тем не менее, основополагающим в системе является материал рабочей части.

Требования к сокращению цикла обработки, улучшению качества получаемой поверхности, увеличения ресурса работы ужесточают требования к инструментальным материалам. В общих чертах любой инструмент при достаточной твердости и способности сохранять твердость при нагреве, необходимой износостойкости должен обладать достаточной прочностью на изгиб, сжатие и срез. Поэтому, например, инструментальные стали должны обладать не только хорошей обрабатываемостью, свариваемостью и шлифуемостью, но и устойчивостью к перегреву, обезуглероживанию и окислению, химической и элементной стабильностью, минимальной деформацией при термообработке, несклонностью к трещинообразованию. Технологические свойства сталей влияют на надежность инструментов, что особенно важно для автоматических линий. Эти свойства, так же как и механические, определяются структурой стали, зависят от химического состава, способа производства, типа технологии изготовления инструмента и термической обработки.

В качестве основных свойств инструментальных материалов указывают следующие: твердость, низкая интенсивность износа, высокая стойкость при одновременном обеспечении качества, стабильность износа (низкая вариация стойкости).

В инструментальном производстве применяют следующие основные материалы:

Инструментальные стали: а) быстрорежущие (ГОСТ 1926590), б) легированные (ГОСТ 595073), в) углеродистые (ГОСТ 143574), г) дисперсионнотвердеющие сплавы

Твердые спеченые сплавы (ГОСТ 388286)

Минералокерамика (керметы)

Алмазы (природные и искусственные)

Сверхтвердые синтетические материалы (СТМ) — композиты

К современным инструментальным материалам предъявляются следующие требования:

повышение производительности обработки;

снижение эксплуатационных затрат;

улучшение эксплуатационных свойств (повышение ресурса работы, улучшение полируемости и т.д., высокая твердость, высокая стойкость к абразивному износу, в т.ч. за счет низкого коэффициента трения и т.п.).

В соответствии с этим инструментальные материалы совершенствуются в следующих направлениях:

создание мелкозернистых твердых сплавов для чистовой обработки, в том числе для высокоскоростной обработки с минимальным радиусом скругления режущей кромки;

создание твердых сплавов, позволяющих работать с ударом в условиях прерывистого резания;

улучшение современных быстрорежущих сталей методами порошковой металлургии, в основном для фасонной обработки и работы в тяжелых условиях;

для повышения однородности и физических свойств инструментальных сталей их подвергают очистке переплавкой: электродуговой вакуумной, электроннолучевой и электрошлаковой, для рабочих частей штампов, пресс­форм и т.п. Основным принципом в совершенствовании инструментальных сталей является сохранение имеющихся свойств, коррозионной стойкости, механических свойств при одновременном улучшении обрабатываемости и повышении эксплуатационных свойств;

широкое применение неметаллических инструментальных материалов для высокоскоростной обработки: керамика, нитрид бора, поликристаллические алмазы;

интеллектуализация инструментальных материалов (твердые сплавы с функционально переменной микроструктурой, т.е. возникающие напряжения, могут затухать изза последовательных переходов в микроструктуре),

применение лезвийного инструмента для замены обработки шлифованием.

Все эти достижения связаны с развитием современных инструментов и оснастки. В числе основных тенденций современного развития производства режущего инструмента за рубежом следует назвать использование инструментальных материалов на основе кубического нитрида бора (КНБ или CBN) и поликристаллических алмазов. В то же время не теряет своего приоритетного значения широкая номенклатура и инструментальные системы разработанные для твердых сплавов. Этому способствует главным образом появление усовершенствованных технологий спекания и нанесения одно и многослойных покрытий, а также оптимизация их параметров, включая макро­ и микрогеометрию и структуру. Наличие покрытий позволяет применять более вязкую подложку. Это оказывает положительное влияние на надежность обработки и ведет к снижению ее стоимости. Еще одной очевидной тенденцией является расширение обработки закаленных сталей и других высокопрочных материалов лезвийными режущими инструментами. Это обусловлено появлением большого количества качественных сталей, при термообработке которых необходимы дорогостоящие вакуумные печи, технологии отпуска, квалифицированный персонал. Поэтому широкое распространение получили стали, прошедшие предварительную термическую обработку, которая включает в себя закалку и высокий отпуск. Среди поставщиков таких сталей можно назвать ООО «Шмольц + Бикенбах», ООО «Белер Уддехольм», ООО «Оснастка». Применение инструментов из КНБ и (до определенной твердости обрабатываемых материалов) твердых сплавов с покрытиями позволяет в ряде случаев исключить шлифование при обработке предварительно закаленных сталей, что, безусловно, также удешевляет обработку.

Большое значение имеет внедрение технологии обработки заготовок с профилем, близким к профилю готовой детали. Уменьшение объема снимаемой стружки и, соответственно, потребностей в материалах в целом, а также числа проходов обеспечивает удешевление обработки. Кроме того, важным обстоятельством в этой ситуации является возможность более простой возможности управления технологической наследственностью заготовок.

Преимущества обработки без СОЖ или с ее минимальным количеством сосредоточены как в экономической, так и в экологической области. В Германии, например, ежегодно потребляется около 750 тысяч тонн СОЖ, стоимость подачи, удаления и обезвреживания которой весьма существенна и по некоторым оценкам превышает 1 млрд. евро.

Все шире проникает в мелкосерийное и единичное производство высокоскоростная обработка, поразному определяемая для различных методов обработки инструментальных и конструкционных материалов. Не в последнюю очередь это происходит вследствие высокого качества получаемой поверхности.

Давно известно, что значительного снижения стоимости обработки можно добиться путем выполнения различных операций одним стандартным инструментом за несколько проходов, однако, на практике таких примеров слишком мало изза специальных требований к конструкции инструмента для каждого вида обработки. Например, конструкции фрез, позволяющие осуществлять черновое и чистовое фрезерование пока несовершенны, в том числе и изза качества инструментальных материалов. Однако, многоступенчатые инструменты оптимизируют время обработки, главным образом путем замены нескольких инструментов одним, с сокращением времени смены, настройки инструмента и обработки. Последняя тенденция стала особенно заметной в связи со значительным повышением периода стойкости инструментов изготавливаемых из порошковой быстрорежущей стали и специальных твердых сплавов, что значительно увеличило время до переточки и ресурс работы.

Все более высокие требования относительно точности крепления предъявляют к зажимным устройствам и устройствам для быстрой смены штампов и пресс форм, поскольку они должны обеспечивать достаточно высокую стойкость инструмента при исключении его биения и дисбаланса, а также высокое качество поверхности деталей.

Высокоскоростная обработка резанием характеризуется на порядок более высокими скоростями резания по сравнению с традиционными до 1200 и 4000 – 6000 м/мин при обработке черных и цветных металлов соответственно. Это возможно благодаря применению прогрессивных материалов (керметов, кубического нитрида бора, поликристаллического алмаза, мелкозернистых твердых сплавов).

На сегодняшний день керамические материалы существенно превосходят быстрорежущие стали и твердые сплавы. Более высокие свойства керамических материалов дают возможность увеличить скорость обработки стали и чугуна (таблица 1).

Таблица 1

Режущие сменные пластины из сверхтвердых композитов регламентирует ГОСТ 28762 – 86. Недостатком керамических материалов является их низкая прочность при изгибе (0,3 – 0,5 ГПа), повышенная хрупкость и низкая теплопроводность. Зарубежная промышленность в настоящее время предлагает образцы керамики, значительно превосходящие современные отечественные.

Германская фирма CeramTec изготовляет смешанную Al₂O₃+TiC керамику с регулируемой мелкозернистой субмикроструктурой, применимую для точения, растачивания и фрезерования высокопрочных чугунов и сталей, включая закаленные HRC 5464, без применения СОЖ. Для тонкого точения закаленных сталей, полностью заменяющего шлифование, в наибольшей степени подходит керамика SH2 фирмы. Ее субмикроструктура обеспечивает получение у инструментов прочных режущих кромок и в результате повышение их стойкости почти на 50%.

Применяемая без покрытий керамика NC260, разработанная японской фирмой Sumitomo Electric, наиболее эффективна при скоростной (непрерывной и прерывистой) обработки чугуна как всухую, так и с применением СОЖ. Высокая ударная вязкость и, следовательно, стойкость инструмента из этой керамики позволяют повысить скорость резания с общепринятых при точении стали 250 м/мин до 600, а при фрезеровании – со 150 до 400 м/мин.

Еще более высокие качества инструментов из этой керамики достигаются при нанесении на них покрытий из Al₂O₃ и TiN. Представленные фирмой Walter неперетачиваемые пластины из керамики Si₃N₄ обладают высокой термической стойкостью и прочностью и предназначены для чернового фрезерования серого чугуна на тяжелых режимах со скоростью до 1000 м/мин. Для чистовой обработки закаленных материалов и чугуна фирма разработала пластины из КТБ.

Новый вид керамики KY4300, армированной нитевидными карбидными кристаллами, фирмы Kennametal Hertel предназначен для обработки с повышенными скоростями таких жаропрочных сплавов, как Waspalloy, Hastelloy или Inconel. Так, при обработке сплава Inconel 718 они достигают скорости 100 – 250 м/мин по сравнению с 50 м/мин при обработке твердосплавными инструментами с покрытиями. Максимальная скорость точения этой керамикой 400 м/мин, фрезерования – 950 м/мин.

Керамический инструмент требует использования оборудования и приспособлений высокой жесткости, исключающих вибрацию инструмента.

Быстрорежущая сталь постепенно вытесняется другими режущими материалами. Однако в настоящее время несколько компаний продолжают изготавливать инструменты из быстрорежущей стали. В частности Weldon Tool Company (Великобритания), предлагает торцевые фрезы с покрытиями TiC и без них. Эти укороченные фрезы диаметром 6 – 25 мм предназначаются для черновой обработки сплавов средней твердости врезным (глубина прохода до 26 мм) и обычным фрезерованием. Стойкость фрез из этой стали, содержащей 8% Cо, повышена за счет наличия у них стружколомов специальной формы. На сегодняшний день быстрорежущие стали в основном применяются для комбинированного, специального и фасонного инструмента, для стандартного инструмента давно применяется твердый сплав и другие современные материалы.

Улучшение качества инструментальных материалов позволило получать инструменты из твердого сплава, изготавливаемые ранее из инструментальных сталей. Прежде всего, это относится к метчикам и сверлам. Кроме того, для осевого инструмента применяются сплавы с переменными свойствами, например, твердый сплав с повышенной вязкостью находится вдоль осевой линии, а более износостойкий и жаропрочный формирует наружную часть.

Кубический нитрид бора (поликристаллический нитрид бора) получают спеканием микропорошков нитрида бора (гексогонального, кубического) при высоких температурах и давлении или прямым синтезом из нитрида бора с гексогональной решеткой. В зависимости от технологии получения кубический нитрид бора выпускают под названиями: эльбор, эльбор – Р, боразон.

Кубический нитрид бора близок по свойствам природному алмазу и имеет близкие с ним свойства, которые позволяют эффективно использовать его для обработки различных труднообрабатываемых сталей, в том числе цементрированных и закаленных. При этом высокоскоростное резание закаленных сталей может заменить шлифование, оптимизируя время обработки и обеспечивая низкую шероховатость. Кроме того, из этого материала изготавливают наконечники для измерения твердости сверхтвердых сталей. Он обладает высокой твердостью (9496 HRA), прочностью, износостойкостью, теплопроводностью, высокой стабильностью физических свойств и структуры при повышении температуры до 1000⁰С. Доступность и хорошие эксплуатационные свойства позволяют инструменту из этих материалов успешно конкурировать с твердыми сплавами.

В последние годы наблюдается обилие инструментальных материалов и конструкций режущего инструмента, каждый из которых должен быть использован в соответствующих условиях обработки и режимах. В свою очередь это привело к затруднению правильного выбора материала или конструкций для инструментов различных типов, условий изготовления и эксплуатации.

Определение оптимального материала режущей рабочей части, ее геометрии требует высокой квалификации технолога или конструктора, либо наличия специализированной автоматизированной системы, либо привлечения специалистов соответствующих фирм.

Поэтому одной из задач проектировщиков является применение перспективных технологических процессов штамповки, литья и резания с использованием новых методов выбора инструментальных материалов и покрытий. А также разработка на их основе перспективных конструктивных решений для режущего инструмента и оснастки.

К. Л. РазумовРаздолов,
ООО «Русэлпром Оснастка»
email: rrkl@ruselprom.ru