Как выбрать правильный материал режущего инструмента (Руководство по станкам с ЧПУ и токарной обработке)

В мире Обработка на станках с ЧПУ и токарная обработкаРежущий инструмент — это меч рыцаря. Выбор правильного материала для режущего инструмента — одно из важнейших решений для оптимизации эффективности производства, снижения затрат и повышения качества деталей. Использование неправильного инструмента может привести к частым проблемам, таким как выкрашивание инструмента, некачественная обработка поверхности и низкая производительность.

Это руководство познакомит вас с основными материалами режущих инструментов и предоставит четкую схему, которая поможет вам сделать лучший выбор в зависимости от задачи обработки.

Почему материал режущих инструментов так важен?

Процесс резки сопровождается экстремально высокой температурой и давлением. Материал инструмента должен выдерживать:

· Износостойкость: предотвращает износ от стружки и сохраняет остроту.

· Твердость: должна быть тверже обрабатываемого материала, особенно при высоких температурах (так называемая «красная твердость»).

· Прочность (Toughness): может выдерживать удары и прерывистые режущие нагрузки, предотвращая сколы и трещины.

· Горячая твёрдость: способность сохранять твёрдость при высоких температурах, возникающих во время резки.

Ни один материал не может быть идеальным во всех отношениях. Процесс отбора заключается в поиске оптимального баланса между этими характеристиками для решения конкретных задач обработки.

Подробное объяснение основных материалов режущего инструмента

Ниже приведены наиболее распространенные сегодня типы материалов для режущих инструментов, расположенные от самых общих до самых специализированных.

Быстрорежущая сталь (HSS)

Что это: Это высококачественная легированная инструментальная сталь, изготовленная путем добавления таких элементов, как вольфрам, молибден, хром и ванадий.

· Преимущества: отличная прочность, низкая стоимость, возможность изготовления инструментов очень сложной формы (таких как сверла, метчики, протяжки), легко поддается повторной заточке.

· Недостатки: низкая износостойкость и термическая твёрдость (размягчение при температуре около 600 °C), скорость резания значительно ниже, чем у твёрдого сплава.

· Наилучшие области применения: низкоскоростная обработка, прерывистое резание, инструменты со сложной геометрией, обработка цветных металлов, ремонтные мастерские и мелкосерийное производство.

2. Карбид

Что это: Спекается методом порошковой металлургии с частицами карбида вольфрама (WC) и связующим веществом кобальтом (Co). Карбид вольфрама обеспечивает твёрдость, а кобальт — прочность. Это абсолютный основополагающий фактор в современной обработке на станках с ЧПУ.

· Преимущества: Обладает превосходной износостойкостью и термической твёрдостью (до 1000°C), а допустимая скорость резания в 2-3 раза выше, чем у быстрорежущей стали. Обладает исключительной универсальностью.

· Недостатки: более хрупкая, чем HSS, и более дорогая.

· Наилучшее применение: получистовая и чистовая обработка большинства материалов, от стали, нержавеющей стали до чугуна и суперсплавов. (Примечание: твердый сплав сам по себе представляет обширную категорию, и его характеристики могут существенно меняться за счет корректировки покрытия и состава.)

3. Твердый сплав с покрытием

Что это: Очень тонкая (несколько микрометров) пленка сверхтвердого материала наносится на подложку из твердого сплава с помощью процессов CVD (химическое осаждение из паровой фазы) или PVD (физическое осаждение из паровой фазы).

· Распространенные покрытия:

· Нитрид титана (TiN): универсальное золотистое покрытие, повышающее износостойкость.

· Нитрид титана (TiCN): более износостойкий, чем TiN, синий или серый.

· Нитрид титана-алюминия (TiAlN)/нитрид хрома-алюминия (AlCrN): высококачественное покрытие. При высоких температурах резания образуется слой оксида алюминия, обладающий чрезвычайно высокой термической твёрдостью и стойкостью к окислению, что делает его особенно подходящим для высокоскоростной обработки и резания без СОЖ.

· Преимущества: Покрытие значительно повышает твердость поверхности, термобарьерные свойства и смазывающую способность, увеличивая срок службы инструмента в несколько раз.

· Оптимальное применение: подходит практически для всех вариантов обработки, выбор зависит от обрабатываемого материала. TiAlN — отличный выбор для обработки стали и чугуна.

4. Керамика

Что это: В основном он делится на две категории: на основе оксида алюминия (Al2O3) (используется для высокоскоростной обработки чугуна) и на основе нитрида кремния (Si3N4) (используется для высокоскоростной черновой обработки чугуна).

· Преимущества: Он обладает более высокой термической твердостью и износостойкостью, чем твердый сплав, хорошей химической стабильностью и чрезвычайно высокой скоростью резания.

· Недостатки: Чрезвычайно хрупкий, плохо переносит удары и прерывистое резание, не подходит для вязких материалов, таких как алюминий.

· Наилучшее применение: высокоскоростная чистовая обработка и резка без сухая обработка чугуна и суперсплавов.

5. Кубический нитрид бора (CBN)

Что это: Искусственный материал, по твёрдости уступающий только алмазу. Обычно продаётся в виде небольших эльборовых пластин, приваренных к твёрдым сплавам.

· Преимущества: Чрезвычайно высокая твердость и термостойкость, что делает его особенно подходящим для упрочнения стали и отбеленного чугуна.

· Недостатки: стоимость чрезвычайно высока, а прочность средняя.

· Наилучшее применение: чистовая обработка закаленной стали твёрдостью выше 45HRC (например, штамповой стали, зубчатых передач). Это первый выбор для токарной обработки вместо процесс шлифования.

6. Поликристаллический алмаз (PCD)

Что это: Изготавливается путем спекания искусственных алмазных частиц при высокой температуре и высоком давлении, обычно также наваривается на подложку из твердого сплава.

· Преимущества: Самый твердый и износостойкий режущий материал, доступный сегодня.

· Недостатки: Он чрезвычайно дорогой, очень хрупкий и может вступать в химические реакции с материалами на основе железа (сталь, чугун) (углерод будет диффундировать при 800 °C), поэтому его нельзя использовать для обработки черных металлов.

· Наилучшее применение: Высокоскоростная и высокоточная обработка цветных металлов и абразивных (абразивных) материалов, таких как кремний-алюминиевые сплавы, композиционные материалы, углеродные волокна, пластмассы, медные и высококремнистые алюминиевые сплавы.

Как выбрать: схема принятия решений и ключевые факторы

При выборе материалов инструмента для вашего применения, пожалуйста, думайте в следующем порядке:

1. Материал заготовки, который предстоит обработать (Материал заготовки) - это первостепенный фактор!

Алюминий, медь, композитные материалы и т. д.: PCD — лучший выбор для высокой скорости, высокого качества и длительного срока службы. Твёрдый сплав без покрытия — экономичный выбор.

· Углеродистая сталь, легированная сталь, нержавеющая сталь: твердый сплав с покрытием (TiAlN/AlCrN) — универсальный выбор. Для низкоскоростных или сложных режущих инструментов по-прежнему актуальна быстрорежущая сталь (HSS). Для закаленной и закаленной стали (>45HRC) выбирают кубический нитрид бора (CBN).

· Чугун: Твёрдый сплав с покрытием очень эффективен. Для высокоскоростной обработки керамика — идеальный выбор.

· Жаропрочные сплавы (например, сплав инконель, титановый сплав): требуются специальные твёрдые сплавы со специальными прочными покрытиями (например, AlCrN). Также могут применяться керамика и кубический нитрид бора (CBN).

· Неметаллические материалы (пластик, дерево и т. д.): обычно достаточно твердого сплава без покрытия или быстрорежущей стали. Для армированных пластиков с высокой абразивностью наибольший срок службы обеспечивает PCD.

2. Тип операции обработки

· Черновая обработка против чистовой обработки: для черновой обработки требуется прочность (выберите твердый сплав с более высокой прочностью), тогда как для чистовой обработки приоритет отдается износостойкости и твердости (выберите более твердый сплав или CBN/PCD).

· Непрерывное и прерывистое резание: фрезерование обычно выполняется прерывистым способом и требует высокой прочности (твёрдый сплав или быстрорежущая сталь). Точение по наружной окружности обычно выполняется непрерывно и может использовать более твёрдые и хрупкие материалы (например, керамику).

3. Станки и наладка

Старые станки или установки с недостаточной жесткостью подвержены вибрации и требуют инструментов с большей прочностью (например, из прочного твердого сплава или быстрорежущей стали).

Современные высокоскоростные и высокожесткие станки с ЧПУ позволяет в полной мере использовать преимущества керамики и твердых сплавов с покрытием.

4. Соображения стоимости

· Первоначальная стоимость по сравнению со стоимостью единицы продукции: хотя лезвия из CBN и PCD очень дороги, при массовом производстве, благодаря их чрезвычайно длительному сроку службы и чрезвычайно высокой эффективности обработки, они могут значительно снизить стоимость обработки каждой детали.

· Мелкосерийное производство, изготовление прототипов: твердый сплав с покрытием обеспечивает наилучшее сочетание универсальности и стоимости. Быстрорежущая сталь (HSS) остается экономически эффективной даже для очень сложных форм или небольших объемов работ.