Вы когда-нибудь задумывались, почему ваши инструменты для обработки так быстро изнашиваются? В этой статье мы рассмотрим основные свойства и типы материалов для режущих инструментов, объясним, как достижения в области твердости, вязкости и термостойкости могут увеличить срок службы инструмента и эффективность обработки. Узнайте о характеристиках и применении алмазов, кубического нитрида бора, керамики, покрытий, твердых сплавов и инструментов из быстрорежущей стали. В конце вы поймете, как выбор правильного материала может существенно повлиять на ваши операции по обработке.
Передовое технологическое оборудование и высокопроизводительные инструменты с ЧПУ позволяют полностью использовать их должную производительность и достичь хороших экономических преимуществ.
Благодаря быстрому развитию инструментальных материалов, физико-механические свойства и режущие характеристики различных новых инструментальных материалов значительно улучшились, а область их применения постоянно расширяется.
Выбор материалов для режущего инструмента существенно влияет на срок службы инструмента, эффективность обработки, качество и стоимость. Во время операций резания инструменты подвергаются экстремальным условиям, включая высокое давление, повышенные температуры, трение, удары и вибрацию. Следовательно, материалы для режущих инструментов должны обладать следующими важными свойствами:
(1) Твердость и износостойкость
Твердость материала режущего инструмента должна превышать твердость материала заготовки, обычно требуя минимум 60 HRC (шкала Роквелла C). Как правило, более высокая твердость коррелирует с повышенной износостойкостью. Однако для предотвращения хрупкости очень важно сбалансировать твердость с другими свойствами.
(2) Прочность и выносливость
Материалы для режущих инструментов должны обладать высокой прочностью и вязкостью, чтобы выдерживать усилия резания, удары и вибрации. Такое сочетание свойств помогает предотвратить хрупкое разрушение и сколы кромки инструмента, обеспечивая стабильную работу и длительный срок службы инструмента. Оптимальный баланс между прочностью и вязкостью зависит от конкретной задачи обработки.
(3) Термостойкость
Хорошая термостойкость необходима материалам для режущих инструментов для сохранения их механических свойств при повышенных температурах, возникающих в процессе обработки. К ним относятся:
(4) Технологичность и экономическая целесообразность
Материал инструмента должен обладать благоприятными характеристиками для производства и обслуживания, в том числе:
Кроме того, материал должен обеспечивать высокое соотношение производительности и цены, балансируя между превосходными режущими свойствами и экономической эффективностью для предполагаемого применения.
(5) Химическая стабильность
Материал инструмента должен противостоять химическим реакциям с материалом заготовки и смазочно-охлаждающими жидкостями, предотвращая преждевременную деградацию инструмента и обеспечивая стабильное качество обработки.
(6) Теплопроводность
Достаточная теплопроводность способствует отводу тепла из зоны резания, снижая тепловые нагрузки на инструмент и заготовку и потенциально обеспечивая более высокую скорость резания.
Алмаз - это изомер углерода, самый твердый материал, когда-либо существовавший в природе.
Алмазные режущие инструменты обладают высокой твердостью, высокой износостойкостью и высокой теплопроводностью и широко используются при обработке цветных металлов и неметаллические материалы.
Похожие статьи: Черные и цветные металлы
Особенно при высокоскоростной обработке алюминия и кремний-алюминиевых сплавов алмазные инструменты являются основными виды резки инструменты, которые трудно заменить. Алмазные инструменты позволяют достичь высокой эффективности, высокой стабильности и долгого срока службы, и они незаменимы в современных процессах обработки с ЧПУ.
Тип алмазной фрезы
Природный алмазный резец
Природные алмазы используются в качестве режущих инструментов уже сотни лет. Инструмент из натурального монокристаллического алмаза имеет тонкую шлифовку, а его кромка может быть остро заточена с радиусом режущей кромки 0,002 мкм. Ультратонкая резка обеспечивает чрезвычайно высокую точность обработки заготовок и очень низкую шероховатость поверхности. Это признанный, идеальный и незаменимый инструмент для сверхточной обработки.
Алмазная фреза PCD
Природные алмазы стоят дорого. Алмаз, широко используемый для обработки резанием, - поликристаллический алмаз (PCD). С начала 1970-х годов поликристаллический алмаз (PCD лезвие) был успешно разработан, и инструменты из природного алмаза были заменены синтетическим поликристаллическим алмазом.
Сырье PCD в изобилии, а его цена составляет всего несколько десятых - одну десятую от цены природного алмаза. PCD-инструменты не могут производить чрезвычайно острые краяКачество поверхности обработанной детали не так хорошо, как у природного алмаза.
В настоящее время в промышленности нелегко изготовить пластины PCD со стружколомами. Поэтому PCD можно использовать только для тонкой резки цветных металлов и неметаллов, а сверхточной зеркальной резки добиться сложно.
Алмазная фреза CVD
С конца 1970-х - начала 1980-х годов в Японии появилась технология CVD-алмаза. CVD-алмаз относится к синтезу алмазной пленки на гетерогенной подложке (такой как цементированный карбид, керамика и т.д.) методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). CVD-алмаз имеет точно такую же структуру и свойства, как и природный алмаз.
Характеристики CVD-алмаза очень близки к характеристикам природного алмаза, он обладает преимуществами природного монокристаллического алмаза и поликристаллического алмаза (PCD), а также в некоторой степени преодолевает их недостатки.
Характеристики алмазного режущего инструмента
Чрезвычайно высокая твердость и износостойкость
Природный алмаз - самое твердое вещество, встречающееся в природе. Алмаз обладает очень высокой износостойкостью. При обработке материалов высокой твердости срок службы алмазных инструментов в 10-100 раз, а то и в сотни раз превышает срок службы инструментов из цементированного карбида.
Имеет очень низкий коэффициент трения
Коэффициент трения между алмазом и некоторыми цветными металлами ниже, чем у других инструментов. Низкий коэффициент трения приводит к меньшей деформации при обработке и снижению силы резания.
Режущая кромка очень острая
Режущая кромка алмазного инструмента может быть заточена. Природные монокристаллические алмазные инструменты могут достигать остроты кромки 0,002~0,008 мкм для сверхтонкой резки и сверхточной обработки.
Высокая теплопроводность
Теплопроводность и теплопроводность алмаза высоки. Это позволяет легко отводить тепло при резке, что приводит к снижению температуры резания инструмента.
Имеет более низкий коэффициент теплового расширения
Коэффициент теплового расширения алмаза в несколько раз меньше, чем у цементированного карбида. Небольшое изменение размера инструмента, вызванное теплотой резания, особенно важно для прецизионной и сверхпрецизионной обработки, где точность размеров имеет решающее значение.
Применение алмазного инструмента
Алмазные инструменты в основном используются для тонкой резки и растачивания цветных и неметаллических материалов на высоких скоростях. Они подходят для обработки различных износостойких неметаллических материалов, таких как заготовки из порошковой металлургии FRP, керамические материалы и т.д., а также различных износостойких цветных металлов, таких как различные кремний-алюминиевые сплавы и финишная обработка цветных металлов.
Однако недостатком алмазных инструментов является их плохая термическая стабильность. Когда температура резки превышает 700-800°C, твердость алмаза полностью теряется. Кроме того, алмазные инструменты не подходят для резки черных металлов, так как алмаз (углерод) при высоких температурах легко взаимодействует с атомами железа, преобразуя атомы углерода в графитовые структуры, что может сделать инструмент очень хрупким.
Второй сверхтвердый материал - кубический нитрид бора (CBN), синтезированный методом, аналогичным методу производства алмазов, - уступает алмазу по твердости и теплопроводности.
Он обладает отличной термической стабильностью и не окисляется при нагревании до 10 000℃ в атмосфере.
КНБ обладает чрезвычайно стабильными химическими свойствами для черных металлов и может широко применяться при обработке стальных изделий.
Тип инструмента из кубического нитрида бора
Кубический нитрид бора (CBN) - это вещество, которое не существует в природе.
Существует два типа: монокристаллический и поликристаллический, а именно монокристаллический CBN и поликристаллический кубический нитрид бора (PCBN).
CBN является одним из изомеров нитрида бора (BN) и имеет структуру, схожую с алмазной.
PCBN (поликристаллический кубический нитрид бора) - это поликристаллический материал, в котором мелкие материалы CBN спекаются вместе через связующую фазу (TiC, TiN, Al, Ti и т.д.) при высокой температуре и высоком давлении.
В настоящее время это инструментальный материал, в котором используется искусственно синтезированная твердость, не уступающая алмазу.
В совокупности они называются сверхтвердыми инструментальными материалами.
PCBN в основном используется для изготовления инструментов.
Инструменты из PCBN можно разделить на цельные вставки из PCBN и композитные вставки из PCBN, спеченные с цементированным карбидом.
Композитное лезвие из PCBN формируется путем спекания слоя PCBN толщиной 0,5~1,0 мм на цементированном карбиде с хорошей прочностью и вязкостью.
Его свойства сочетают в себе хорошую прочность, высокую твердость и износостойкость.
Он решает проблемы низкой прочности на изгиб и сложности сварки пластин из CBN.
Основные свойства и характеристики кубического нитрида бора
Хотя твердость кубического нитрида бора немного ниже, чем у алмаза, она значительно выше, чем у других материалов с высокой твердостью.
Выдающимся преимуществом CBN является то, что его термическая стабильность намного выше, чем у алмаза, - до 1200 °C (по сравнению с 700-800 °C у алмаза).
Еще одно выдающееся преимущество - химическая инертность и отсутствие химической реакции с железом при температуре 1200-1300 °C.
Основные эксплуатационные характеристики кубического нитрида бора таковы:
Высокая твердость и износостойкость
Кристаллическая структура CBN похожа на алмаз и имеет сопоставимые характеристики. твердость и прочность.
PCBN особенно подходит для обработки материалов высокой твердости, которые можно шлифовать только предварительно, и позволяет добиться превосходного качества поверхности заготовки.
Высокая термическая стабильность
Термостойкость CBN может достигать 1400-1500℃, что почти в два раза выше, чем термостойкость алмаза (700-800℃).
Инструменты из PCBN могут резать сверхпрочные сплавы и закаленные стали со скоростью в 3-5 раз выше, чем инструменты из твердого сплава.
Отличная химическая стабильность
Он не играет химической роли с материалами на основе железа при температуре до 1200-1300℃.
Он не изнашивается так резко, как алмаз, но при этом сохраняет твердость цементированного карбида.
Инструменты PCBN подходят для резки деталей из закаленной стали и охлажденного чугуна и могут широко использоваться для высокоскоростной резки чугуна.
Обладает хорошей теплопроводностью
Хотя теплопроводность КНБ не может сравниться с алмазом, теплопроводность КНБ в различных инструментальных материалах уступает только алмазу, что намного выше, чем у быстрорежущей стали и твёрдый сплав.
Имеет более низкий коэффициент трения
Низкий коэффициент трения приводит к снижению сил резания во время резки, уменьшению температуры резки и улучшению качества поверхности.
Применение инструмента из кубического нитрида бора
Кубический нитрид бора подходит для обработки труднообрабатываемых материалов, таких как закаленная сталь, твердый чугун, суперсплавы, твердые сплавы и материалы для поверхностного напыления.
Точность обработки может достигать IT5 (отверстие - IT6), а значение шероховатости поверхности может составлять от Ra 1,25 до 0,20 мкм.
Инструментальный материал из кубического нитрида бора обладает низкой вязкостью и прочностью на изгиб. Поэтому токарные резцы из кубического нитрида бора не подходят для грубой обработки с низкой скоростью и большой ударной нагрузкой. Кроме того, они не подходят для резки пластичных материалов (таких как алюминиевый сплав, медный сплав, сплав на основе никеля, сталь с большой пластичностью и т.д.), поскольку при резке этих металлов может возникнуть серьезная кромка, которая может ухудшить обработанную поверхность.
Керамические ножи обладают такими характеристиками, как высокая твердость, хорошая износостойкость, отличная термостойкость и химическая стабильность, а также они нелегко соединяются с металлами.
Керамические инструменты играют важную роль в обработке с ЧПУ и стали одним из основных инструментов для высокоскоростной резки и обработки труднообрабатываемых материалов.
Керамические инструменты широко используются для высокоскоростного резания, сухого резания, твердого резания и обработки труднообрабатываемых материалов.
Керамические ножи могут эффективно обрабатывать материалы высокой твердости, которые традиционные ножи вообще не могут обрабатывать, и добиваться "фрезерования вместо шлифования".
Оптимальная скорость резания керамических инструментов может быть в 2-10 раз выше, чем у инструментов из цементированного карбида, что значительно повышает эффективность производства.
Основным сырьем, используемым в керамических инструментах, является самый распространенный элемент в земной коре. Поэтому продвижение и применение керамических инструментов имеет огромное значение для повышения производительности, снижения стоимости обработки и экономии стратегических драгоценных металлов. Это в значительной степени будет способствовать развитию технологий резки.
Виды керамических материалов для изготовления инструментов
Типы керамических инструментальных материалов можно разделить на три категории: керамика на основе глинозема, керамика на основе нитрида кремния и композитная керамика на основе нитрида кремния и глинозема.
Среди них наибольшее распространение получили керамические инструментальные материалы на основе глинозема и нитрида кремния.
Керамика на основе нитрида кремния превосходит керамику на основе глинозема.
Производительность керамического инструмента, характеристики
Высокая твердость и хорошая износостойкость
Хотя твердость керамических инструментов не так высока, как у PCD и PCBN, она значительно выше, чем у инструментов из твердых сплавов и быстрорежущей стали, достигая 93-95 HRA.
Керамические инструменты могут обрабатывать материалы высокой твердости, трудно поддающиеся обработке традиционными инструментами, и подходят для высокоскоростного и твердого резания.
Высокая термостойкость и жаропрочность
Керамические инструменты могут резать при температуре выше 1200°C.
Керамические инструменты обладают хорошими высокотемпературными механическими свойствами.
Инструмент из керамики Al2O3 обладает превосходной стойкостью к окислению, а режущая кромка может непрерывно использоваться даже в раскаленном состоянии.
Поэтому керамические инструменты могут выполнять сухую резку, исключая необходимость использования смазочно-охлаждающей жидкости.
Хорошая химическая стабильность
Керамические ножи нелегко сцепляются с металлом, обладают хорошей коррозионной стойкостью и химической стабильностью, что позволяет снизить износ инструмента при сцеплении.
Низкий коэффициент трения
Керамические ножи имеют низкое сродство к металлам и низкий коэффициент трения, что снижает силу резания и температуру резки.
Применение керамического инструмента
Керамика - один из инструментальных материалов, используемых в основном для высокоскоростной чистовой и получистовой обработки.
Керамические фрезы подходят для резки всех видов чугуна (серый чугун, ковкий чугун, ковкий чугун, охлажденный чугун, высоколегированный износостойкий чугун) и стали (углеродистая конструкционная сталь, легированная конструкционная сталь), высокопрочная сталь, высокомарганцевой стали, закаленной стали и т.д.). Они также могут использоваться для резки медных сплавов, графита, инженерных пластмасс и композитов.
Керамические инструментальные материалы имеют низкую прочность на изгиб и плохую ударную вязкость, и они не подходят для резки при низкой скорости и ударной нагрузке.
Покрытие инструмента - один из важных способов повышения его производительности.
Появление инструменты с покрытием совершила значительный прорыв в производительности режущего инструмента.
Инструмент с покрытием покрыт одним или несколькими слоями огнеупорного компаунда с хорошей износостойкостью на более прочном корпусе инструмента. Таким образом, основа инструмента сочетается с твердым покрытием, что обеспечивает максимальную производительность инструмента.
Инструменты с покрытием позволяют повысить эффективность обработки, увеличить точность обработки, продлить срок службы инструмента и снизить стоимость обработки.
Около 80% режущих инструментов, используемых в новых станок с ЧПУ используйте инструменты с покрытием.
В будущем инструменты с покрытием станут самым важным инструментом в области обработки с ЧПУ.
Тип инструмента с покрытием
В зависимости от метода нанесения покрытия:
Инструменты с покрытием можно разделить на инструменты с покрытием, полученным химическим осаждением из паровой фазы (CVD), и инструменты с покрытием, полученным физическим осаждением из паровой фазы (PVD).
Инструменты из цементированного карбида с покрытием обычно покрываются методом химического осаждения из паровой фазы при температуре осаждения около 1000°C.
Инструменты из быстрорежущей стали с покрытием обычно используют метод физического осаждения из паровой фазы, а температура осаждения составляет около 500°C.
В зависимости от разницы в материале основы инструмента для нанесения покрытия:
Инструменты с покрытием можно разделить на инструменты из твердого сплава с покрытием, инструменты из быстрорежущей стали с покрытием и инструменты с покрытием из керамики и сверхтвердых материалов (алмаз и кубический нитрид бора).
В зависимости от природы материала покрытия:
Инструменты с покрытием можно разделить на две большие категории: инструменты с "твердым" покрытием и инструменты с "мягким" покрытием.
Основная цель, которую преследуют инструменты с "твердыми" покрытиями, - высокая твердость и износостойкость. Их основными преимуществами являются высокая твердость и хорошая износостойкость, как правило, это покрытия TiC и TiN.
Цель инструментов с "мягким" покрытием - низкий коэффициент трения, также известных как самосмазывающиеся инструменты. Их коэффициент трения с материалом заготовки очень низок, всего около 0,1, что позволяет снизить сцепление, трение, силу резания и температуру резания.
Недавно были разработаны инструменты для наноочистки.
Этот инструмент с покрытием может использоваться в различных комбинациях материалов покрытия (например, металл/металл, металл/керамика, керамика/керамика и т.д.) для удовлетворения различных функциональных и эксплуатационных требований.
Хорошо разработанное нанопокрытие позволяет материалу инструмента обладать превосходными антифрикционными и противоизносными свойствами, что делает его пригодным для высокоскоростной сухой резки.
Особенности инструмента для нанесения покрытий
Хорошая механика и производительность резки
Инструмент с покрытием сочетает в себе превосходные свойства основного материала и материала покрытия, что позволяет сохранить хорошую вязкость и высокую прочность основы, а также высокую твердость, высокую износостойкость и низкий коэффициент трения покрытия.
В результате инструменты с покрытием могут резать более чем в два раза быстрее, чем инструменты без покрытия, и обеспечивают более высокую скорость подачи.
Срок службы инструментов с покрытием также увеличивается.
Сильная универсальность
Инструменты с покрытием обладают широкой универсальностью и широким диапазоном обработки, а один инструмент с покрытием может использоваться вместо нескольких инструментов без покрытия.
Толщина покрытия
Срок службы инструмента увеличивается с увеличением толщины покрытия.
Однако, когда толщина покрытия насыщается, срок службы инструмента уже существенно не увеличивается.
Слишком толстое покрытие легко вызывает отслаивание, а слишком тонкое - плохое сопротивление истиранию.
Регринд
Лезвие с покрытием имеет плохую шлифовку, сложное оборудование для нанесения покрытия, высокие технологические требования и длительное время нанесения покрытия.
Материал покрытия
Режущие инструменты с различными материалами покрытия имеют разную производительность резки.
Например, покрытия TiC имеют преимущество при резке на низких скоростях, а TiN подходит для высокоскоростной резки.
Применение инструментов с покрытием
Инструменты с покрытием имеют большой потенциал в области обработки с ЧПУ и в будущем станут наиболее важным инструментом в области обработки с ЧПУ.
Технология нанесения покрытий применяется в концевых фрезах, развертках, сверлах, инструментах для обработки отверстий из композитных материалов, варочные панелиФрезы-шестерни, фрезы для бритья, формообразующие протяжки и различные сменные пластины для станков.
Он отвечает требованиям высокоскоростной обработки различных сталей и чугуна, жаропрочных сплавов и цветных металлов.
Твердосплавные инструменты, особенно сменные твердосплавные инструменты, являются ведущими продуктами для обрабатывающих инструментов с ЧПУ.
С 1980-х годов различные типы цельных и сменных твердосплавных инструментов или пластин были распространены в различных областях режущего инструмента.
Среди них сменные твердосплавные инструменты, которые были расширены от простых токарных инструментов и торцевое фрезерование резцы для различных прецизионных, сложных и формообразующих инструментов.
Тип инструмента из цементированного карбида
По основному химическому составу цементированный карбид можно разделить на твердый сплав на основе карбида вольфрама и твердый сплав на основе углерода (нитрида титана) (TiC(N)).
Цементированные карбиды на основе карбида вольфрама включают кобальт вольфрама (YG), титан кобальта вольфрама (YT) и редкие карбиды (YW), каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Основными компонентами являются карбид вольфрама (WC), карбид титана (TiC), карбид тантала (TaC), карбид ниобия (NbC) и т.д., а в качестве связующей фазы обычно используется металл Co.
Цементированный карбид титана на основе углерода (азота) представляет собой твердый сплав, содержащий TiC в качестве основного компонента (в некоторые из них добавляются другие карбиды или нитриды), а обычно используемыми металлическими связующими фазами являются Mo и Ni.
Международная организация по стандартизации (ISO) классифицирует режущие твердые сплавы на три категории:
Класс K, включающий от K10 до K40, эквивалентен китайскому классу YG (основной компонент - WC.Co).
Класс P, включая P01 - P50, эквивалентен YT в Китае (основной компонент - WC.TiC.Co).
Класс M, включая M10 - M40, эквивалентен YW в Китае (основной компонент - WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Каждый класс представляет собой серию сплавов от высокой твердости до максимальной прочности, с номерами от 01 до 50 соответственно.
Эксплуатационные характеристики инструментов из цементированного карбида
Высокая твердость
Твердосплавные инструменты изготавливаются методом порошковой металлургии из карбидов с высокой твердостью и температурой плавления (так называемая твердая фаза) и металлических связующих (так называемая связующая фаза).
Их твердость составляет 89-93 HRA, что намного выше, чем у быстрорежущей стали.
При температуре 540°C твердость по-прежнему достигает 82-87 HRA.
При комнатной температуре значение твердости такое же, как у быстрорежущей стали (83~86 HRA).
Величина твердости цементированного карбида зависит от природы, количества, размера частиц и содержания металлической связки в карбиде, и обычно уменьшается по мере увеличения содержания металлической связки.
При одинаковом содержании связующей фазы твердость сплава YT выше, чем у сплава YG.
Сплав, в который добавлен TaC (NbC), обладает высокотемпературной твердостью.
Прочность и жесткость на изгиб
Прочность на изгиб обычно используемых цементированных карбидов находится в диапазоне 900~1500 МПа.
Чем выше содержание фазы металлической связи, тем выше прочность на изгиб.
При одинаковом содержании связующего прочность сплава на основе YG (WC-Co) выше, чем прочность сплава на основе YT (WC-TiC-Co), и прочность снижается по мере увеличения содержания TiC.
Цементированный карбид - хрупкий материал, и его ударная вязкость составляет всего 1/30~1/8 от ударной вязкости быстрорежущей стали при комнатной температуре.
Области применения широко используемых твердосплавных инструментов
Сплавы YG в основном используются для обработки чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов.
Мелкозернистые твердые сплавы (такие как YG3X, YG6X) имеют более высокую твердость и износостойкость, чем среднезернистые сплавы при одинаковом содержании кобальта. Они подходят для обработки некоторых видов специального твердого чугуна, аустенитной нержавеющей стали, жаропрочных сплавов, титановых сплавов, твердой бронзы и износостойких изоляционных материалов.
Выдающимися преимуществами цементированных карбидов типа YT являются высокая твердость, хорошая жаропрочность, высокая твердость и прочность на сжатие при высоких температурах, повышенная стойкость к YG и лучшая стойкость к окислению.
Поэтому, когда от инструмента требуется высокая жаропрочность и износостойкость, следует выбирать марку с высоким содержанием TiC.
Сплавы YT подходят для обработки стальных материалов, но не подходят для обработки титановых сплавов и кремния алюминиевые сплавы.
Сплавы YW обладают свойствами сплавов YG и YT и имеют хорошие комплексные характеристики. Они могут использоваться для обработки стальных материалов, а также для обработки чугуна и цветных металлов.
Такие сплавы при правильном добавлении кобальта могут использоваться при высокой прочности, а также для черновой и прерывистой резки различных труднообрабатываемых материалов.
Быстрорежущая сталь (HSS) - это высоколегированная инструментальная сталь с большим количеством легирующих элементов, таких как W, Mo, Cr и V.
Фрезы из быстрорежущей стали обладают превосходными комплексными характеристиками в плане прочности, вязкости и качества обработки.
В производстве сложных инструментов, особенно при изготовлении инструментов для вырезания отверстий, фрез, резьбовых фрез, протяжек, режущих инструментов и других сложных инструментов, имеющих форму лезвия, по-прежнему преобладает быстрорежущая сталь.
Инструменты из быстрорежущей стали легко затачивают острые режущие кромки.
В зависимости от области применения быстрорежущая сталь может быть разделена на быстрорежущую сталь общего назначения и высокопроизводительную быстрорежущую сталь.
Универсальный быстрорежущая сталь фреза
Быстрорежущая сталь общего назначения может быть разделена на два типа: вольфрамовая и вольфрамо-молибденовая.
Этот тип быстрорежущей стали содержит от 0,7% до 0,9% углерода (C).
В зависимости от количества вольфрама, содержащегося в стали, она может быть разделена на вольфрамовая сталь с вольфрамом 12% или 18%.
Вольфрамо-молибденовая сталь, содержащая 6% или 8% вольфрама, и молибденовая сталь содержащие 2% вольфрама или не содержащие его.
Быстрорежущая сталь общего назначения обладает определенной твердостью (63-66 HRC) и износостойкостью, высокой прочностью и вязкостью, хорошей пластичностью и технологией обработки.
Поэтому она широко используется при изготовлении различных сложных инструментов.
Вольфрамовая сталь
Общая марка вольфрамовой стали для быстрорежущей стали - W18Cr4V (именуемая W18), которая обладает хорошими комплексными характеристиками. Высокотемпературная твердость составляет 48,5HRC при 600 °C и может использоваться для изготовления различных сложных инструментов. Она обладает такими преимуществами, как хорошая шлифуемость и низкая обезуглероживание чувствительность. Однако из-за высокого содержания карбида распределение менее равномерно, частицы крупнее, а прочность и вязкость невысоки.
Сталь с карбидом вольфрама
Она относится к быстрорежущей стали, получаемой путем замены части вольфрама в вольфрамовой стали на молибден.
Типичной маркой вольфрамо-молибденовой стали является W6Mo5Cr4V2 (обозначается как M2).
Карбидные частицы M2 мелкие и однородные, а прочность, вязкость и высокотемпературная пластичность лучше, чем у W18Cr4V.
Другой разновидностью вольфрамо-молибденовой стали является W9Mo3Cr4V (обозначается как W9). Ее термическая стабильность немного выше, чем у стали M2, а прочность на изгиб и вязкость лучше, чем у W6Mo5Cr4V2, и она обладает хорошей обрабатываемостью.
Высокопроизводительный резец из быстрорежущей стали
Высокопроизводительная быстрорежущая сталь относится к новой марке стали, которая добавляет некоторые содержание углеродасодержание ванадия и легирующих элементов, таких как Co и Al, в детали из быстрорежущей стали общего назначения, что повышает их жаропрочность и износостойкость.
В основном существуют следующие основные категории:
Высокоуглеродистая быстрорежущая сталь
Высокоуглеродистая быстрорежущая сталь (например, 95W18Cr4V), высокая твердость при комнатной и высокой температуре, подходит для изготовления обычной стали и чугуна, сверл с высокой износостойкостью, разверток, метчиков и фрез, или инструментов для обработки твердых материалов. Не подходит для больших ударов.
Быстрорежущая сталь с высоким содержанием ванадия
Типичные марки, такие как W12Cr4V4Mo (сокращенно EV4), увеличивают V от 3% до 5%.
Обладает хорошей износостойкостью и подходит для резки материалов с большим износом инструмента, таких как волокно, твердая резина, пластик и т.д. Он также может использоваться для обработки нержавеющей стали, высокопрочной стали и высокотемпературных сплавов.
Кобальтовая быстрорежущая сталь
Это сверхскоростная сталь, содержащая кобальт, с типичной маркой W2Mo9Cr4VCo8 (обозначается как M42).
Она имеет высокую твердость 69-70 HRC и подходит для обработки труднообрабатываемых материалов, таких как высокопрочная жаропрочная сталь, высокотемпературный сплав и титановый сплав.
M42 обладает высокой шлифуемостью и подходит для изготовления сложных инструментов, но не подходит для работы в условиях ударного резания.
Алюминиевая быстрорежущая сталь
Это разновидность алюминиевой сверхтвердой быстрорежущей стали, типичная марка, например, W6Mo5Cr4V2Al (аббревиатура 501).
Высокотемпературная твердость при 6000C также достигает 54HRC, а режущие свойства эквивалентны M42.
Подходит для изготовления фрез, сверл, разверток, зубчатых фрез, протяжек и т.д., для обработки легированная стальнержавеющая сталь, высокопрочная сталь и высокотемпературные сплавы.
Азотистая сверхтвердая быстрорежущая сталь
Типичные марки, такие как W12M03Cr4V3N, обозначаемые как (V3N), представляют собой азотсодержащую сверхтвердую быстрорежущую сталь.
Твердость, прочность и вязкость сопоставимы с показателями M42.
Может использоваться в качестве замены кобальтосодержащей быстрорежущей стали для низкоскоростной резки труднообрабатываемых материалов и низкоскоростной высокоточной обработки.
Выплавка быстрорежущей стали и порошковая металлургия быстрорежущей стали
В соответствии с различными процессами производства, быстрорежущая сталь может быть разделена на плавильную быстрорежущую сталь и быстрорежущую сталь порошковой металлургии.
Smбыстрорежущая сталь
Как обычная быстрорежущая сталь, так и высокопроизводительная быстрорежущая сталь производятся методом плавки.
Они превращаются в инструменты в результате таких процессов, как выплавка, литье слитков и прокатка.
Серьезной проблемой, которая может возникнуть при выплавке быстрорежущей стали, является сегрегация карбидов. Твердые и хрупкие карбиды распределены в быстрорежущей стали неравномерно и имеют крупные зерна (до нескольких десятков микрон), что негативно сказывается на износостойкости, вязкости и режущих свойствах инструментов из быстрорежущей стали.
Быстрорежущая сталь с порошковой металлургией (PM HSS)
Быстрорежущая сталь порошковой металлургии (PM HSS) представляет собой расплавленную сталь, выплавленную в высокочастотной индукционной печи и распыленную аргоном или чистым азотом под высоким давлением. Затем ее закаливают для получения мелкой и однородной кристаллической структуры (порошка из быстрорежущей стали). Полученный порошок прессуется в заготовку для клинка при высокой температуре и высоком давлении или сначала формируется в стальной сляб, а затем подвергается ковке и прокатке в форме инструмента.
По сравнению с быстрорежущей сталью, произведенной методом плавки, PM HSS обладает преимуществами мелких и равномерных карбидных зерен, а также повышенной прочностью, вязкостью и износостойкостью.
В области сложных инструментов с ЧПУ инструменты из быстрорежущей стали PM будут играть все более важную роль. Типичные марки включают F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN и т.д.
Из него можно изготавливать крупногабаритные, сверхпрочные, ударопрочные инструменты, а также прецизионные инструменты.
В настоящее время широко используются такие материалы для инструментов с ЧПУ, как алмазные инструменты, инструменты из кубического нитрида бора, керамические инструменты, инструменты с покрытием, твердосплавные инструменты и инструменты из быстрорежущей стали.
Общее количество инструментальных материалов велико, и их характеристики сильно различаются. Основные показатели эффективности различных инструментальных материалов следующие:
| Типы | Плотность г/см2 | Жаропрочный ℃ | Твердость | Сгибание прочность Мпа | Термо проводимость w/(m.K） | Коэффициент теплового расширения ×10-5/℃ | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Поликристаллический алмаз | 3.47-3.56 | 700-800 | ＞9000HV | 600-1100 | 210 | 3.1 | |
| Поликристаллический кубический карбид бора | 3.44-3.49 | 1300-1500 | 4500HV | 500-800 | 130 | 4.7 | |
| Керамический нож | 3.1-5.0 | ＞1200 | 91-95HRA | 700-1500 | 15.0-38.0 | 7.0-9.0 | |
| Цементированный карбид | Вольфрам-кобальт | 14.0-15.5 | 800 | 89-91.5HRA | 1000-2350 | 74.5-87.9 | 3-7.5 |
| Вольфрам кобальт титан | 9.0-14.0 | 900 | 89-92.5HRA | 800-1800 | 20.9-62.8 | ||
| Общий сплав | 12.0-14.0 | 1000-1100 | ~92.5HRA | / | / | ||
| Сплав на основе TiC | 5.0-7.0 | 1100 | 92-93.5HRA | 1150-1350 | / | 8.2 | |
| Быстрорежущая сталь | 8.0-8.8 | 600-700 | 62-70 HRC | 2000-4500 | 15.0-30.0 | 8-12 | |
Материалы режущих инструментов для обработки с ЧПУ должны выбираться в зависимости от обрабатываемой заготовки и характера процесса.
Выбор материала режущего инструмента должен быть правильно подобран к обрабатываемому объекту. Согласование материала режущего инструмента с объектом обработки в основном относится к согласованию механических свойств, физических свойств и химических свойств двух материалов для получения наибольшего срока службы инструмента и максимальной производительности обработки резанием.
Проблема согласования механических свойств режущего инструмента и обрабатываемого объекта в основном касается параметров механических свойств, таких как прочность, вязкость и твердость инструмента и материала заготовки.
Инструментальные материалы с различными механическими свойствами подходят для обработки материалов заготовок.
По твердости инструментальный материал располагается в следующем порядке: алмазный инструмент > инструмент из кубического нитрида бора > керамический инструмент > твердый сплав > быстрорежущая сталь.
По прочности на изгиб материал инструмента располагается в следующем порядке: быстрорежущая сталь > твердый сплав > керамический инструмент > алмаз и инструмент из кубического нитрида бора.
По степени вязкости инструментальный материал располагается в следующем порядке: быстрорежущая сталь > твердый сплав > кубический нитрид бора, алмаз и керамические инструменты.
Заготовки из материалов с высокой твердостью должны обрабатываться инструментами с более высокой твердостью. Твердость инструментального материала должна быть выше твердости материала заготовки, обычно она должна быть выше 60 HRC. Чем выше твердость материала инструмента, тем выше его износостойкость.
Например, когда количество кобальта в цементированном карбиде увеличивается, прочность и вязкость возрастают, твердость уменьшается, и он подходит для грубой обработки. Когда количество кобальта уменьшается, твердость и износостойкость увеличиваются, что подходит для чистовой обработки.
Инструменты с превосходными высокотемпературными механическими свойствами особенно подходят для высокоскоростной обработки. Отличные высокотемпературные характеристики керамических инструментов позволяют обрабатывать их на высоких скоростях, причем скорость резания может быть в 2-10 раз выше, чем у цементированных твердых сплавов.
Для обработки материалов заготовок подходят инструменты с различными физическими свойствами, например, инструменты из быстрорежущей стали с высокой теплопроводностью и низкой температурой плавления, керамические инструменты с высокой температурой плавления и низким тепловым расширением, а также алмазные инструменты с высокой теплопроводностью и низким тепловым расширением.
При обработке заготовки с плохой теплопроводностью следует использовать инструментальный материал с лучшей теплопроводностью, чтобы обеспечить быструю передачу тепла резания для снижения температуры резания.
Благодаря высокой теплопроводности и теплопроводности алмаза, тепло при резке легко отводится и не вызывает больших тепловых деформаций. Это особенно важно для прецизионных обрабатывающих инструментов с высокой точностью размеров.
Температура термостойкости различных инструментальных материалов:
700~8000C для алмазных инструментов, 13000～15000C для PCBN инструментов, 1100～12000C для керамических инструментов, 900～11000C для TiC(N) на основе твердых сплавов, WC на основе ультра-мелкозернистых твердых Качество сплава составляет 800 до 9000 C, и HSS 600 до 7000 C.
Последовательность теплопроводности различных инструментальных материалов:
PCD>PCBN>WC на основе цементированного карбида>TiC(N)-на основе цементированного карбида>HSS>Si3N4 на основе керамики>A1203 на основе керамики.
Порядок коэффициента теплового расширения различных инструментальных материалов таков:
HSS>Цементированный карбид на основеWC>TiC(N)>Керамика на основе A1203>PCBN>Керамика на основе Si3N4>PCD.
Устойчивость к тепловому удару различных инструментальных материалов распределяется в следующем порядке:
HSS>WC на основе цементированного карбида>Si3N4 на основе керамики>PCBN>PCD>TiC(N) на основе цементированного карбида>A1203 на основе керамики.
Согласование химических свойств материала режущего инструмента с объектом обработки в основном относится к согласованию химических свойств материала инструмента с химическим сродством, химической реакцией, диффузией и растворением материала заготовки.
Инструменты из разных материалов подходят для обработки заготовок из разных материалов.
Температура антиприлипания различных инструментальных материалов (и стали) составляет:
PCBN>керамика>твердый сплав>HSS.
Температура окисления различных инструментальных материалов составляет:
керамика>PCBN>твердый сплав>алмаз>HSS.
Диффузионная прочность различных инструментальных материалов (для стали) составляет:
алмаз > керамика на основе Si3N4 > PCBN > керамика на основе A1203.
Диффузионная прочность (для титана) составляет:
Керамика на основе А1203 > PCBN > SiC > Si3N4 > алмаз.
В целом, инструменты из PCBN, керамики, твердого сплава с покрытием и твердого сплава на основе TiCN подходят для обработки черных металлов с ЧПУ, например, стали.
Инструменты PCD подходят для обработки цветных материалов, таких как Al, Mg, Cu, сплавов и неметаллических материалов.
В таблице 2 перечислены некоторые материалы заготовок, которые подходят для обработки с использованием вышеуказанных инструментальных материалов.
| Режущий инструмент | Высокий твердость сталь | Тепло устойчивый сплав | Титан сплав | Никель на основе суперсплав | Литье железо | Чистый сталь | Высокий кремний алюминий сплав | FRP композит материал |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PCD | × | × | ◎ | × | × | × | ◎ | ◎ |
| PCBN | ◎ | ◎ | ○ | ◎ | ◎ | ● | ● | |
| Керамический нож | ◎ | ◎ | × | ◎ | ◎ | ● | × | × |
| Слой цементированного карбида | ○ | ◎ | ◎ | ● | ◎ | ◎ | ● | ● |
| Твердый сплав на основе TiCN | ● | × | × | × | ◎ | ● | × | × |
Примечание:
◎ - Превосходно
○ - Хорошо
● - ОК
× - Плохо
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO