Современное технологическое оборудование и высокопроизводительные режущие инструменты могут в полной мере использовать его должную производительность и достичь хороших экономических выгод. С быстрым развитием инструментальных материалов, физические, механические свойства и режущие характеристики различных новых инструментальных материалов были значительно улучшены, а область применения постоянно расширялась. Сегодня мы сосредоточимся на том, как правильно выбрать материалы для режущего инструмента.

Инструментальные материалы должны иметь базовые характеристики

Выбор инструментальных материалов оказывает большое влияние на срок службы инструмента, эффективность обработки, качество обработки и затраты на обработку. Инструмент должен выдерживать высокое давление, высокую температуру, трение, удары и вибрацию при резке. Следовательно, инструментальный материал должен обладать следующими основными свойствами:

(1) Твердость и износостойкость. Твердость материала инструмента должна быть выше, чем твердость материала заготовки, обычно она должна быть выше 60HRC. Чем выше твердость материала инструмента, тем лучше износостойкость.

(2) Сила и выносливость. Материалы инструмента должны иметь высокую прочность и ударную вязкость, чтобы противостоять силам резания, ударам и вибрации, а также предотвращать хрупкое разрушение и сколы инструмента.

(3) Термостойкость. Материал инструмента обладает хорошей термостойкостью, выдерживает высокие температуры резания и обладает хорошей стойкостью к окислению.

(4) Производительность процесса и экономия. Материал инструмента должен обладать хорошими характеристиками ковки, термической обработки, сварки, шлифования и т. Д., А также должен обеспечивать высокую производительность и соотношение цены.

алмазные инструментальные материалы

Типы, свойства и характеристики алмазных инструментальных материалов и инструментов

Алмаз - это изомер углерода, самого твердого материала, когда-либо встречавшегося в природе. Алмазные инструменты имеют высокую твердость, высокую износостойкость и высокую теплопроводность, и широко используются при обработке цветных металлов и неметаллических материалов. Особенно при высокоскоростной обработке алюминия и кремний-алюминиевых сплавов алмазные инструменты сложно заменить основными типами режущих инструментов. Алмазные инструменты, обеспечивающие высокую эффективность, высокую стабильность и длительный срок службы, являются незаменимыми инструментами в современной обработке с ЧПУ.

• Типы алмазного инструмента
• Натуральный алмазный резак: Натуральный алмаз использовался в качестве режущего инструмента в течение сотен лет. Натуральный монокристаллический алмазный резец был тщательно отшлифован, а кромка может быть резко заточена. Радиус режущей кромки может достигать 0,002 мкм, что позволяет добиться ультратонкой резки. Чрезвычайно высокая точность заготовки и чрезвычайно низкая шероховатость поверхности являются признанными, идеальными и незаменимыми сверхточными обрабатывающими инструментами.
• Алмазный инструмент PCD: природный алмаз дорог, алмаз широко используется для резки или поликристаллического алмаза (PCD). С начала 1970-х годов поликристаллический алмаз (Polycrystauinediamond, PCD blade) успешно развивался после технологии синтеза при высокой температуре и высоком давлении. Во многих случаях природные алмазные инструменты были заменены синтетическим поликристаллическим алмазом. PCD сырья в изобилии, и цена составляет всего одну десятую-одну десятую от стоимости природного алмаза.

Резцы PCD не способны шлифовать чрезвычайно острые кромки, а качество поверхности обрабатываемой детали не так хорошо, как у натурального алмаза. В промышленности нелегко изготавливать вставки из PCD с чип-стружколомами. Следовательно, PCD можно использовать только для тонкой резки цветных металлов и неметаллов, и трудно добиться сверхточной зеркальной резки.

• Алмазные инструменты CVD: С конца 1970-х до начала 1980-х годов в Японии появилась технология CVD diamond. CVD-алмаз относится к синтезу алмазной пленки на гетерогенной подложке (такой как цементированный карбид, керамика и т. Д.) Путем химического осаждения из паровой фазы (CVD). CVD алмаз имеет точно такую же структуру и характеристики, что и природный алмаз.

Характеристики CVD-алмаза очень близки к характеристикам природного алмаза, и он обладает преимуществами природного монокристаллического алмаза и поликристаллического алмаза (PCD) и в некоторой степени преодолевает их недостатки.

(2) Рабочие характеристики алмазного инструмента:

• Чрезвычайно высокая твердость и износостойкость: природный алмаз является самым твердым веществом, встречающимся в природе. Алмаз обладает очень высокой износостойкостью. При обработке материалов с высокой твердостью срок службы алмазного инструмента в 10-100 раз или даже в сотни раз больше, чем у цементированного твердосплавного инструмента.
• имеет очень низкий коэффициент трения: коэффициент трения между алмазом и некоторыми цветными металлами ниже, чем у других инструментов, коэффициент трения низкий, деформация при обработке мала, а сила резания может быть уменьшена.
• Режущая кромка очень острая: режущая кромка алмазного инструмента может быть резко заточена, а инструмент из натурального монокристаллического алмаза может достигать 0,002 ~ 0,008 мкм для ультратонкой резки и сверхточной обработки.
• Он обладает высокой теплопроводностью: алмаз обладает высокой теплопроводностью и температуропроводностью, тепло отреза легко рассеивается, а температура резания инструмента низкая.
• имеет низкий коэффициент теплового расширения: у алмаза коэффициент теплового расширения в несколько раз меньше, чем у цементированного карбида, а изменение размера инструмента, вызванное высокой температурой резания, невелико, что особенно важно для точной и сверхточной обработки с большими размерами точность.

(3) Применение алмазного инструмента.

Алмазный инструмент используется для тонкой резки и расточки цветных и неметаллических материалов на высоких скоростях. Подходит для обработки всех видов износостойких неметаллических материалов, таких как заготовка из порошковой металлургии FRP, керамические материалы и т. Д .; различные износостойкие цветные металлы, такие как различные кремниево-алюминиевые сплавы; различные отделки цветных металлов.

Недостаток алмазных резцов в том, что термостабильность плохая. Когда температура резки превышает 700 ° C ~ 800 ° C, она полностью теряет свою твердость; кроме того, он не подходит для резки черных металлов, потому что алмаз (углерод) легко гладить при высоких температурах. Атом превращает атомы углерода в графитовую структуру, а инструмент чрезвычайно хрупок.

инструментальные материалы из кубического нитрида бора

Второй сверхтвердый материал, кубический нитрид бора (CBN), синтезированный способом, аналогичным способу изготовления алмаза, уступает только алмазу по твердости и теплопроводности и обладает превосходной термостойкостью. Он нагревается до 10000 С в атмосфере. Окисление не происходит. CBN обладает чрезвычайно стабильными химическими свойствами для черных металлов и может широко использоваться при обработке стальных изделий.

(1) Типы кубического нитрида бора

Кубический нитрид бора (CBN) - это вещество, которого не существует в природе. Он имеет монокристалл и поликристалл, а именно монокристалл CBN и поликристаллический кубический нитрид бора (PCBN). CBN является одним из изомеров нитрида бора (BN) и имеет структуру, сходную со структурой алмаза.

PCBN (поликристаллический кубический нитрид бора) представляет собой поликристаллический материал, в котором мелкие материалы CBN спекаются вместе через фазу соединения (TiC, TiN, Al, Ti и т. Д.) При высокой температуре и высоком давлении. Алмазный инструментальный материал, который в совокупности называется сверхтвердым инструментальным материалом. PCBN в основном используется для изготовления инструментов или других инструментов.

Инструменты PCBN можно разделить на встроенные вставки PCBN и композитные вставки PCBN, спеченные с помощью цементированного карбида.

Композитное лезвие PCBN изготавливается путем спекания слоя PCBN толщиной 0,5 ~ 1,0 мм на цементированном карбиде с хорошей прочностью и ударной вязкостью. Его характеристики имеют хорошую прочность, высокую твердость и износостойкость. Это решает проблемы низкой прочности на изгиб и сложной сварки вставок CBN.

(2) Основные характеристики и характеристики кубического нитрида бора

Хотя твердость кубического нитрида бора несколько ниже, чем у алмаза, она намного выше, чем у других материалов с высокой твердостью. Выдающимся преимуществом CBN является то, что термостабильность намного выше, чем у алмаза, до 1200 ° C (300-800 ° C для алмаза). Другим выдающимся преимуществом является то, что он химически инертен и не вступает в химическую реакцию с железом при 1200-1300 ° C. реакция. Основные эксплуатационные характеристики кубического нитрида бора следующие.

• Высокая твердость и износостойкость: кристаллическая структура CBN аналогична алмазу и имеет твердость и прочность, аналогичные алмазу. PCBN особенно подходит для обработки материалов с высокой твердостью, которые до этого можно только шлифовать, и может обеспечить лучшее качество поверхности заготовки.
• Обладают очень высокой термостойкостью: термостойкость CBN может достигать 1400 ~ 1500 ° C, почти в 1 раз выше, чем термостойкость алмаза (700 ~ 800 ° C). Инструменты из PCBN могут резать жаропрочные сплавы и закаленные стали на высоких скоростях в 3-5 раз быстрее, чем инструменты из цементированного карбида.
• Превосходная химическая стабильность: не играет химической роли с материалами на основе железа при температуре до 1200-1300 ° C. Он не носит резко, как алмаз. В это время он все еще может поддерживать твердость цементированного карбида. Резак PCBN подходит для резки закаленной стали. Детали и литой чугун для высокоскоростной резки чугуна.
• имеет хорошую теплопроводность: хотя теплопроводность CBN не справляется с алмазом, теплопроводность PCBN во всех видах инструментальных материалов уступает только алмазу, что намного выше, чем у быстрорежущей стали и твердого сплава.
• Имеет низкий коэффициент трения: низкий коэффициент трения может привести к уменьшению силы резания во время резки, снижению температуры резания и улучшению качества поверхности.

(3) Применение кубического нитрида бора:

Кубический нитрид бора подходит для обработки труднообрабатываемых материалов, таких как закаленная сталь, твердый чугун, суперсплав, твердый сплав и материалы для распыления поверхности. Точность обработки может достигать IT5 (отверстие - IT6), а значение шероховатости поверхности может составлять всего Ra1,25 ~ 0,20 мкм.

Материал инструмента из кубического нитрида бора имеет плохую прочность и прочность на изгиб. Поэтому токарные инструменты из кубического нитрида бора не подходят для черновой обработки с низкой скоростью и большой ударной нагрузкой; в то же время, он не подходит для резки пластиковых материалов (таких как алюминиевый сплав, медный сплав, сплав на основе никеля, крупногабаритная сталь и т. д.), так как резка этих металлов может привести к серьезному образованию заусенцев и ухудшению механической обработки. поверхность.

керамические инструментальные материалы

Керамические ножи обладают высокой твердостью, хорошей износостойкостью, отличной термостойкостью и химической стабильностью, и их нелегко склеивать с металлами. Керамические инструменты играют важную роль в обработке с ЧПУ. Керамические инструменты стали одним из основных инструментов для высокоскоростной резки и сложной механической обработки материалов. Керамические инструменты широко используются при высокоскоростной резке, сухой резке, жесткой резке и обработке труднообрабатываемых материалов. Керамические инструменты могут эффективно обрабатывать высокотвердые материалы, которые традиционные инструменты вообще не могут обрабатывать, и достигать ?автомобильного шлифования?; оптимальная скорость резания керамических инструментов может быть в 2-10 раз выше, чем у инструментов из твердого сплава, что значительно повышает эффективность обработки. Основным сырьем, используемым в керамических инструментальных материалах, являются наиболее распространенные элементы в земной коре. Поэтому продвижение и применение керамических инструментов имеет большое значение для повышения производительности, снижения затрат на обработку и экономии стратегических драгоценных металлов. Это также значительно продвинет технологию резки. прогресс.

(1) Типы керамических инструментальных материалов

Типы керамических инструментальных материалов обычно можно разделить на три категории: керамика на основе оксида алюминия, керамика на основе нитрида кремния и композитная керамика на основе нитрида кремния-оксида алюминия. Среди них наиболее широко используются керамические инструментальные материалы на основе оксида алюминия и нитрида кремния. Керамика на основе нитрида кремния превосходит керамику на основе оксида алюминия.

(2) Производительность и характеристики керамического инструмента

Рабочие характеристики керамического инструмента следующие:

• Высокая твердость и хорошая износостойкость: хотя твердость керамических инструментов не такая высокая, как у PCD и PCBN, она намного выше, чем у твердосплавных и быстрорежущих стальных инструментов, достигая 93-95HRA. Керамические инструменты могут обрабатывать высокотвердые материалы, которые трудно обрабатывать традиционными инструментами и которые подходят для высокоскоростной и жесткой резки.
• Высокая термостойкость и термостойкость: керамические инструменты могут резать при температуре выше 1200 ° C. Керамические инструменты имеют очень хорошие механические свойства при высоких температурах. Керамические инструменты A12O3 имеют отличную стойкость к окислению, и режущие кромки можно использовать непрерывно даже в раскаленном состоянии. Следовательно, керамические инструменты могут выполнять сухую резку, устраняя необходимость в смазочно-охлаждающей жидкости.
• Хорошая химическая стабильность: керамические инструменты нелегко связать с металлом, они обладают хорошей коррозионной стойкостью и химической стабильностью, что может снизить износ связующего инструмента.
• Низкий коэффициент трения: керамический инструмент имеет низкое сродство с металлом и низкий коэффициент трения, что может снизить силу резания и температуру резания.

(3) Керамические ножи имеют применение

Керамика является одним из инструментальных материалов, используемых в основном для высокоскоростной и полуфабрикатной обработки. Керамические фрезы подходят для резки всех видов чугуна (серый чугун, ковкий чугун, ковкий чугун, литой чугун, высоколегированный износостойкий чугун) и стали (углеродистая конструкционная сталь, легированная конструкционная сталь, высокопрочная сталь, высокая марганцевая сталь, закаленная сталь). И т.д.) также могут быть использованы для резки медных сплавов, графита, конструкционных пластиков и композитов.

Характеристики керамических инструментальных материалов имеют низкую прочность на изгиб и низкую ударную вязкость и не подходят для резки при низкой скорости и ударной нагрузке.

?инструментальные материалы с покрытием

Нанесение покрытия на инструмент является одним из важных способов повышения производительности инструмента. Появление инструментов с покрытием сделало большой прорыв в производительности режущих инструментов. Инструмент с покрытием наносят на один или более слоев с высоким сопротивлением тугоплавкого соединения с сопротивлением хорошо износа. Он сочетает в себе основание инструмента с твердым покрытием, что значительно повышает производительность инструмента. Инструменты с покрытием могут повысить эффективность обработки, повысить точность обработки, продлить срок службы инструмента и снизить затраты на обработку.

Около 80% режущих инструментов, используемых в новых станках с ЧПУ, используют инструменты с покрытием. Инструменты с покрытием будут самым важным инструментом в области обработки с ЧПУ в будущем.

(1) Тип инструмента с покрытием

В зависимости от метода покрытия инструменты с покрытием можно разделить на инструменты с химическим осаждением из паровой фазы (CVD) и инструменты с физическим осаждением из паровой фазы (PVD). Инструменты из цементированного карбида с покрытием обычно представляют собой химическое осаждение из паровой фазы с температурой осаждения около 1000 ° C. Инструмент из высокоскоростной стали с покрытием обычно использует метод физического осаждения из паровой фазы, и температура осаждения составляет около 500 ° C;

В зависимости от материала инструмента с покрытием инструмент с покрытием можно разделить на инструменты с твердосплавным покрытием, инструменты с высокоскоростным стальным покрытием и инструменты с покрытием на керамических и сверхтвердых материалах (алмаз и кубический нитрид бора).

В зависимости от природы материала покрытия инструменты с покрытием можно разделить на две большие категории, а именно инструменты с ?твердым? покрытием и инструменты с ?мягким? покрытием. Основная цель, которую преследуют инструменты с ?твердым? покрытием, — высокая твердость и износостойкость. Пол, его основными преимуществами являются высокая твердость и хорошая износостойкость, как правило, покрытия TiC и TiN. Целью инструментов с ?мягким? покрытием является низкий коэффициент трения, также известный как самосмазывающийся инструмент, который трется о материал заготовки. Коэффициент очень низкий, всего около 0,1, что может уменьшить сцепление, уменьшить трение, снизить силу резания и температуру резания.

Инструменты наноэлевации были недавно разработаны. Этот инструмент для нанесения покрытия может использоваться в различных комбинациях материалов для покрытия (таких как металл / металл, металл / керамика, керамика / керамика и т. Д.) Для удовлетворения различных функциональных и эксплуатационных требований. Тщательно разработанное нанопокрытие позволяет материалу инструмента обладать превосходными антифрикционными и противоизносными свойствами и подходит для высокоскоростной сухой резки.

(2) Характеристики инструментов с покрытием

Рабочие характеристики инструментов с покрытием следующие:

• Механические и режущие характеристики:

Инструмент для нанесения покрытия сочетает в себе превосходные свойства основного материала и материала покрытия, который не только поддерживает хорошую ударную вязкость и высокую прочность подложки, но также имеет высокую твердость, высокую износостойкость и низкое покрытие. Коэффициент трения. В результате инструменты с покрытием можно резать более чем в два раза быстрее, чем инструменты без покрытия, что позволяет повысить скорость подачи. Срок службы инструментов с покрытием также улучшается.

• универсальность:

Инструмент для нанесения покрытия обладает широкой универсальностью и широким спектром обработки. Инструмент с покрытием может заменить несколько инструментов без покрытия.

• Толщина покрытия:

Срок службы инструмента увеличивается с увеличением толщины покрытия, но когда толщина покрытия достигает насыщения, срок службы инструмента больше не увеличивается значительно. Когда покрытие слишком толстое, может произойти отслаивание; когда покрытие слишком тонкое, сопротивление истиранию плохое.

• подточить:

Лезвие для нанесения покрытия имеет плохое измельчение, сложное оборудование для нанесения покрытия, высокие технологические требования и длительное время нанесения покрытия.

• Материал покрытия:

Инструмент с различными материалами покрытия имеет разные режущие характеристики. Например, покрытия TiC имеют преимущество при резке на низких скоростях; TiN подходит для высокоскоростной резки.

(3) Применение инструментов с покрытием

Инструменты с покрытием имеют большой потенциал в области обработки с ЧПУ и будут самым важным инструментом в области обработки с ЧПУ в будущем. Технология покрытия применяется для концевых фрез, разверток, сверл, инструментов для обработки композитных отверстий, зубчатых колес, зуборезных фрез, бритвенных фрез, формовочных протяжек и различных индексируемых пластин машинного зажима для выполнения операций высокоскоростной резки. Потребность в стали и чугуне, жаропрочных сплавах и цветных металлах.

?инструментальные материалы из цементированного карбида

Твердосплавные инструменты, особенно индексируемые твердосплавные инструменты, являются ведущими продуктами станков с ЧПУ. С 1980-х годов различные типы встроенных и индексируемых твердосплавных инструментов или пластин были расширены. В области режущих инструментов индексируемые твердосплавные инструменты расширяются от простых токарных инструментов и торцевых фрез до различных прецизионных, сложных и формующих инструментов.

(1) Типы инструментов из цементированного карбида

В соответствии с основным химическим составом цементированный карбид можно разделить на твердый сплав на основе карбида вольфрама и твердый сплав на основе углерода (нитрида титана) (TiC (N)).

Твердые сплавы на основе карбида вольфрама включают вольфрам-кобальт (YG), вольфрам-кобальт-титан (YT) и карбиды редкого типа (YW), каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Основными компонентами являются карбид вольфрама (WC) и карбид титана. (TiC), карбид тантала (TaC), карбид ниобия (NbC) и т. Д., Обычно используемая фаза связывания металлов представляет собой Со.

Цементированный карбид на основе углерода (азота) на основе титана представляет собой твердый сплав, содержащий TiC в качестве основного компонента (некоторые из которых добавляются вместе с другими карбидами или нитридами), и обычно используемыми металлическими связующими фазами являются Mo и Ni.

ISO (Международная организация по стандартизации) классифицирует резку карбидов на три категории:

Класс K, включая Kl0 ~ K40, эквивалентен китайскому классу YG (основной компонент - WC.Co).

Класс P, включая P01-P50, эквивалентен YT в Китае (основным компонентом является WC.TiC.Co).

Класс M, включая M10-M40, эквивалентен YW в Китае (основным компонентом является WC-TiC-TaC (NbC) -Co).

Каждый сорт представляет собой серию сплавов от высокой твердости до максимальной ударной вязкости с номерами от 01 до 50, соответственно.

(2) Рабочие характеристики инструментов из цементированного карбида

Рабочие характеристики инструмента из цементированного карбида следующие:

• Высокая твердость:

Твердосплавные инструменты изготавливаются из карбидов (называемых твердой фазой) и металлического связующего (называемых связанной фазой) с высокой твердостью и температурой плавления методом порошковой металлургии, а их твердость составляет 89-93 HRA. Это намного выше, чем у быстрорежущей стали. При 5400C твердость все еще может достигать 82-87HRA, что соответствует твердости быстрорежущей стали при комнатной температуре (83-86HRA). Значение твердости цементированного карбида изменяется в зависимости от природы, количества, размера частиц и содержания фазы металлического связующего в карбиде и, как правило, уменьшается с увеличением содержания фазы связующего металла. Когда содержание связующей фазы одинаково, твердость сплава на основе YT выше, чем твердости сплава на основе YG, а сплав, к которому добавлен TaC (NbC), имеет высокую высокотемпературную твердость.

• Прочность на изгиб и прочность:

Прочность на изгиб обычно используемых цементированных карбидов находится в диапазоне 900-1500 МПа. Чем выше содержание фазы металлической связи, тем выше прочность на изгиб. Когда содержание связующего одинаково, прочность сплава на основе YG (WC-Co) выше, чем у сплава на основе YT (WC-TiC-Co), и прочность уменьшается с увеличением содержания TiC , Цементированный карбид является хрупким материалом, и его ударная вязкость составляет всего от 1/30 до 1/8 от ударной вязкости быстрорежущей стали при комнатной температуре.

• Применение обычно 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 средние зерна, когда содержание кобальта одинаково. Он подходит для обработки некоторых специальных твёрдых чугунов, аустенитной нержавеющей стали, жаропрочных сплавов, титановых сплавов, твёрдой бронзы и износостойких изоляционных материалов.

Выдающимися преимуществами цементированных карбидов на основе YT являются высокая твердость, хорошая теплостойкость, высокая твердость и прочность на сжатие при высоких температурах, а также более высокая стойкость к YG и лучшая стойкость к окислению. Поэтому, когда требуется, чтобы нож обладал высокой термостойкостью и износостойкостью, следует выбирать марку с высоким содержанием TiC. Сплавы YT подходят для обработки пластиковых материалов, таких как сталь, но не подходят для обработки титановых сплавов и кремниевых алюминиевых сплавов.

Сплав YW обладает свойствами сплавов YG и YT и обладает хорошими комплексными характеристиками. Может использоваться для обработки стали, а также для обработки чугуна и цветных металлов. Такие сплавы, при правильном добавлении к содержанию кобальта, могут быть использованы с высокой прочностью и могут быть использованы для черновой и прерывистой резки различных труднообрабатываемых материалов.

?

В целом, PCBN, керамические инструменты, твердосплавные инструменты и твердосплавные инструменты на основе TiCN подходят для обработки черных металлов с ЧПУ, таких как сталь; Инструменты PCD подходят для цветных материалов, таких как Al, Mg, Cu и их сплавы. Обработка неметаллических материалов. В таблице 3-3-2 перечислены некоторые материалы заготовки, которые подходят для обработки вышеуказанных инструментальных материалов.