1. Основные свойства, которыми должны обладать инструментальные материалы
Выбор инструментальных материалов оказывает большое влияние на срок службы инструмента, эффективность обработки, качество обработки и стоимость обработки. При резке инструменты должны выдерживать высокое давление, высокую температуру, трение, удары и вибрацию. Поэтому инструментальные материалы должны обладать следующими основными свойствами:
(1) Твердость и износостойкость. Твердость материала инструмента должна быть выше твердости материала заготовки, обычно требуется, чтобы она была выше 60HRC. Чем выше твердость материала инструмента, тем лучше износостойкость.
(2) Прочность и вязкость. Материал инструмента должен обладать высокой прочностью и вязкостью, чтобы выдерживать силу резания, удары и вибрацию, а также предотвращать хрупкое разрушение и скалывание инструмента.
(3) Термостойкость. Материал инструмента должен обладать хорошей термостойкостью, выдерживать высокие температуры резания и обладать хорошей антиоксидантной способностью.
(4) Производительность процесса и экономичность. Материал инструмента должен иметь хорошие характеристики ковки, термообработки, сварки, шлифования и т. д., а также должен иметь высокое соотношение производительности и цены.
2. Виды, эксплуатационные характеристики, характеристики и применение инструментальных материалов
1. Типы, свойства и характеристики алмазных инструментальных материалов и области применения инструментов
Алмаз является аллотропом углерода и является самым твердым материалом, встречающимся в природе. Алмазные инструменты обладают высокой твердостью, высокой износостойкостью и высокой теплопроводностью и широко используются при обработке цветных металлов и неметаллических материалов. Особенно при высокоскоростной резке алюминия и кремниево-алюминиевых сплавов алмазные инструменты являются основным видом режущего инструмента, который трудно заменить. Алмазные инструменты, которые могут достигать высокой эффективности, высокой стабильности и длительного срока службы обработки, являются незаменимым и важным инструментом в современной обработке с ЧПУ.
1) Типы алмазного инструмента
① Инструменты из натурального алмаза: Натуральный алмаз использовался в качестве режущего инструмента сотни лет. После тонкой шлифовки инструмент из натурального монокристаллического алмаза может быть чрезвычайно острым, с радиусом режущей кромки до 0.002мкм, что позволяет достигать сверхтонкой резки и обрабатывать чрезвычайно высокую точность заготовки и чрезвычайно низкую шероховатость поверхности. Это признанный, идеальный и незаменимый сверхточный обрабатывающий инструмент.
② Инструмент из алмаза PCD: Натуральный алмаз дорогой, и наиболее широко используемый алмаз для резки - это поликристаллический алмаз (PCD). С начала 1970-х годов, после успешной разработки лезвий из поликристаллического алмаза (поликристаллический алмаз, называемый PCD), изготовленных с помощью технологии синтеза при высокой температуре и высоком давлении, инструменты из натурального алмаза во многих случаях были заменены искусственным поликристаллическим алмазом. Сырье из PCD широко распространено, и его цена составляет всего несколько десятых долей от дюжины натурального алмаза.
Инструменты из PCD не могут шлифовать очень острые края, а качество поверхности обработанной заготовки не такое хорошее, как у натурального алмаза. В настоящее время в промышленности нелегко изготавливать лезвия из PCD со стружколомами. Поэтому PCD можно использовать только для точной резки цветных металлов и неметаллов, и трудно добиться сверхточной зеркальной резки.
③ Алмазные инструменты CVD: Технология CVD-алмазов появилась в Японии в конце 1970-х и начале 1980-х годов. 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 ту же структуру и свойства, что и природный алмаз.
Эксплуатационные характеристики CVD-алмаза очень близки к показателям природного алмаза. Он обладает преимуществами природного монокристаллического алмаза и поликристаллического алмаза (PCD) и в определенной степени преодолевает их недостатки.
(2) Эксплуатационные характеристики алмазного инструмента
① Чрезвычайно высокая твердость и износостойкость: Природный алмаз является самым твердым веществом, встречающимся в природе. Алмаз обладает чрезвычайно высокой износостойкостью. При обработке высокотвердых материалов срок службы алмазных инструментов в 10–100 раз превышает срок службы инструментов из твердого сплава, а то и в несколько сотен раз.
② Очень низкий коэффициент трения: коэффициент трения между алмазом и некоторыми цветными металлами ниже, чем у других инструментов. Низкий коэффициент трения означает меньшую деформацию во время обработки, что может снизить силу резания.
③ Очень острая режущая кромка: режущая кромка алмазных инструментов может быть заточена очень остро. Инструменты из натурального монокристаллического алмаза могут быть острыми до 0.002-0.008мкм, что позволяет выполнять сверхтонкую резку и сверхточную обработку.
④ Очень высокая теплопроводность: алмаз обладает высокой теплопроводностью и температуропроводностью, тепло, выделяющееся при резании, легко рассеивается, а температура режущей части инструмента низкая.
⑤ Низкий коэффициент теплового расширения: коэффициент теплового расширения алмаза в несколько раз меньше, чем у твердого сплава, а изменение размера инструмента, вызванное теплом резки, очень мало, что особенно важно для прецизионной и сверхточной обработки с высокими требованиями к точности размеров.
(3) Применение алмазного инструмента
Алмазный инструмент в основном используется для тонкой резки и расточки цветных металлов и неметаллических материалов на высоких скоростях. Подходит для обработки различных износостойких неметаллов, таких как заготовки из стеклопластика, армированного порошковой металлургией, керамические материалы и т. д.; различных износостойких цветных металлов, таких как различные кремний-алюминиевые сплавы; различной отделки цветных металлов.
Недостатком алмазных инструментов является их плохая термостойкость. При температуре резки свыше 700-800 градусов они полностью теряют твердость; кроме того, они не подходят для резки черных металлов, так как алмаз (углерод) при высоких температурах легко реагирует с атомами железа, превращая атомы углерода в графитовые структуры, и инструменты легко повреждаются.
2. Типы, свойства и характеристики инструментальных материалов на основе кубического нитрида бора и области применения инструментов
Кубический нитрид бора (CBN), второй сверхтвердый материал, синтезированный методом, аналогичным методу изготовления алмаза, по твердости и теплопроводности уступает только алмазу. Он обладает превосходной термической стабильностью и не окисляется при нагревании до 10,000 градусов в атмосфере. CBN обладает чрезвычайно стабильными химическими свойствами для черных металлов и может широко использоваться при обработке стальных изделий.
(1) Типы инструментов из кубического нитрида бора
Кубический нитрид бора (CBN) — вещество, которое не существует в природе. Его можно разделить на монокристаллический и поликристаллический, а именно монокристалл CBN и поликристаллический кубический нитрид бора (сокращенно PCBN). CBN является одной из аллотропных модификаций нитрида бора (BN) и имеет структуру, похожую на алмаз.
PCBN (поликристаллический кубический нитрид бора) — это поликристаллический материал, который изготавливается путем спекания тонких материалов CBN вместе через связующую фазу (TiC, TiN, Al, Ti и т. д.) при высокой температуре и высоком давлении. В настоящее время это инструментальный материал, твердость которого уступает только твердости алмаза, который синтезируется искусственно. Его и алмаз вместе называют сверхтвердыми инструментальными материалами. PCBN в основном используется для изготовления инструментов или других инструментов.
Инструменты из PCBN можно разделить на цельные лезвия из PCBN и композитные лезвия из PCBN, спеченные с твердым сплавом.
Композитные лезвия из PCBN изготавливаются путем спекания слоя PCBN толщиной {{0}}.5-1.0 мм на цементированном твердом сплаве с хорошей прочностью и ударной вязкостью. Его характеристики сочетают в себе хорошую ударную вязкость с высокой твердостью и износостойкостью. Он решает проблемы низкой прочности на изгиб и сложной сварки лезвий из CBN.
(2) Основные свойства и характеристики кубического нитрида бора
Хотя твердость кубического нитрида бора немного ниже, чем у алмаза, она намного выше, чем у других материалов с высокой твердостью. Выдающимся преимуществом CBN является то, что его термическая стабильность намного выше, чем у алмаза, который может достигать более 1200 градусов (алмаз имеет 700-800 степень). Другим выдающимся преимуществом является то, что он химически инертен и не вступает в химическую реакцию с железом при 1200-1300 степени. Основные эксплуатационные характеристики кубического нитрида бора следующие.
① Высокая твердость и износостойкость: кристаллическая структура CBN похожа на структуру алмаза, и он имеет схожую с алмазом твердость и прочность. PCBN особенно подходит для обработки высокотвердых материалов, которые ранее можно было только отшлифовать, и позволяет получить лучшее качество поверхности заготовки.
② Высокая термостойкость: термостойкость CBN может достигать 1400-1500 степени, что почти в 1 раз выше, чем у алмаза (700-800 степени). Инструменты из PCBN могут резать жаропрочные сплавы и закаленную сталь со скоростью в 3-5 раз выше, чем у твердосплавных инструментов.
③ Отличная химическая стабильность: он не вступает в химическую реакцию с железными материалами при 1200-1300 степени и не изнашивается так же резко, как алмаз. В это время он все еще может сохранять твердость карбида; инструменты из PCBN подходят для резки закаленных стальных деталей и отбеленного чугуна и могут широко использоваться при высокоскоростной резке чугуна.
④ Хорошая теплопроводность: хотя теплопроводность CBN не может сравниться с алмазом, среди всех видов инструментальных материалов теплопроводность PCBN уступает только алмазу и намного выше, чем у быстрорежущей стали и твердого сплава.
⑤ Низкий коэффициент трения: Низкий коэффициент трения может привести к снижению усилия резания, снижению температуры резания и улучшению качества поверхности во время резки.
(3) Применение инструментов из кубического нитрида бора
Кубический нитрид бора подходит для чистовой обработки различных труднообрабатываемых материалов, таких как закаленная сталь, твердый чугун, жаропрочные сплавы, твердые сплавы, материалы для поверхностного напыления и т. д. Точность обработки может достигать IT5 (IT6 для отверстий), а значение шероховатости поверхности может составлять всего Ra1,25~0.20 мкм.
Инструментальные материалы из кубического нитрида бора имеют плохую прочность и прочность на изгиб. Поэтому токарные инструменты из кубического нитрида бора не подходят для черновой обработки на низкой скорости и с высокой ударной нагрузкой; в то же время они не подходят для резки материалов с высокой пластичностью (таких как алюминиевый сплав, медный сплав, сплав на основе никеля, сталь с высокой пластичностью и т. д.), так как при резке этих металлов будет образовываться серьезный нарост на режущей кромке, который ухудшит обработанную поверхность.
3. Виды, свойства и характеристики керамических инструментальных материалов и области применения инструментов
Керамические инструменты обладают такими характеристиками, как высокая твердость, хорошая износостойкость, отличная термостойкость и химическая стабильность, и их нелегко сцеплять с металлами. Керамические инструменты занимают очень важное место в обработке на станках с ЧПУ. Керамические инструменты стали одними из основных инструментов для высокоскоростной резки и труднообрабатываемых материалов. Керамические инструменты широко используются при высокоскоростной резке, сухой резке, твердой резке и резке труднообрабатываемых материалов. Керамические инструменты могут эффективно обрабатывать высокотвердые материалы, которые традиционные инструменты вообще не могут обрабатывать, реализуя «точение вместо шлифования»; оптимальная скорость резки керамических инструментов может быть в 2–10 раз выше, чем у инструментов из твердого сплава, тем самым значительно повышая эффективность производства резки; основным сырьем, используемым в материалах керамических инструментов, являются самые 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, а также будет значительно способствовать развитию технологии резки.
(1) Типы керамических инструментальных материалов
Керамические инструментальные материалы можно разделить на три категории: керамика на основе оксида алюминия, керамика на основе нитрида кремния и композитная керамика на основе нитрида кремния и оксида алюминия. Среди них наиболее широко используются керамические инструментальные материалы на основе оксида алюминия и нитрида кремния. Эксплуатационные характеристики керамики на основе нитрида кремния превосходят характеристики керамики на основе оксида алюминия.
(2) Эксплуатационные характеристики и характеристики керамических инструментов
Эксплуатационные характеристики керамических инструментов следующие:
① Высокая твердость и хорошая износостойкость: хотя твердость керамических инструментов не такая высокая, как у PCD и PCBN, она намного выше, чем у инструментов из твердого сплава и быстрорежущей стали, достигая 93~95HRA. Керамические инструменты могут обрабатывать материалы высокой твердости, которые трудно обрабатывать традиционными инструментами, и подходят для высокоскоростной и твердой резки.
② Высокая термостойкость и хорошая термостойкость: керамические инструменты могут резать при высоких температурах свыше 1200 градусов. Керамические инструменты обладают превосходными механическими свойствами при высоких температурах. Керамические инструменты Al2O3 обладают особенно хорошей стойкостью к окислению. Режущая кромка может использоваться непрерывно даже в раскаленном состоянии. Поэтому керамические инструменты могут достигать сухой резки, тем самым устраняя необходимость в смазочно-охлаждающей жидкости.
③ Хорошая химическая стабильность: керамические инструменты нелегко соединять с металлами, они устойчивы к коррозии и химически стабильны, что может снизить износ инструментов при соединении.
④ Низкий коэффициент трения: керамические инструменты имеют низкое сродство к металлам и низкий коэффициент трения, что может снизить усилие резания и температуру резания.
(3) Применение керамических инструментов
Керамика является одним из инструментальных материалов, в основном используемых для высокоскоростной чистовой и получистовой обработки. Керамические инструменты подходят для резки различных чугунов (серый чугун, ковкий чугун, ковкий чугун, отбеленный чугун, высоколегированный износостойкий чугун) и сталей (углеродистая конструкционная сталь, легированная конструкционная сталь, высокопрочная сталь, высокомарганцовистая сталь, закаленная сталь и т. д.), а также могут использоваться для резки медных сплавов, графита, конструкционных пластиков и композиционных материалов.
Керамические инструментальные материалы имеют такие недостатки, как низкая прочность на изгиб и плохая ударная вязкость, и не подходят для резки на низких скоростях и при ударных нагрузках.
4. Эксплуатационные характеристики и характеристики инструментальных материалов с покрытием и применение инструментов
Покрытие инструментов является одним из важных способов улучшения производительности инструментов. Появление покрытых инструментов сделало большой прорыв в производительности резки инструментов. Покрытые инструменты изготавливаются путем нанесения одного или нескольких слоев тугоплавких соединений с хорошей износостойкостью на прочный корпус инструмента. Они объединяют основу инструмента с твердым покрытием, тем самым значительно улучшая производительность инструмента. Покрытые инструменты могут повысить эффективность обработки, улучшить 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 станут важнейшим видом инструментов в области обработки с ЧПУ в будущем.
(1) Типы инструментов с покрытием
В зависимости от метода покрытия инструменты с покрытием можно разделить на инструменты с покрытием, нанесенным методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), и инструменты с покрытием, нанесенным методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Покрытые твердосплавные инструменты обычно используют химическое осаждение из паровой фазы, а температура осаждения составляет около 1000 градусов. Покрытые быстрорежущие стальные инструменты обычно используют физическое осаждение из паровой фазы, а температура осаждения составляет около 500 градусов.
В зависимости от различных базовых материалов инструментов с покрытием их можно разделить на инструменты с покрытием из карбида, инструменты с покрытием из быстрорежущей стали и инструменты с покрытием из керамики и сверхтвердых материалов (алмаза и кубического нитрида бора).
По свойствам материалов покрытия инструменты с покрытием можно разделить на две категории, а именно инструменты с «твердым» покрытием и инструменты с «мягким» покрытием. Основная цель инструментов с «твердым» покрытием — высокая твердость и износостойкость. Его основные преимущества — высокая твердость и хорошая износостойкость. Типичными являются покрытия TiC и TiN. Целью инструментов с «мягким» покрытием является низкий коэффициент трения, также известных как самосмазывающиеся инструменты. Его коэффициент трения с материалом заготовки очень низок, всего около 0.1, что может уменьшить адгезию, уменьшить трение и снизить силу резания и температуру резания.
Недавно были разработаны инструменты с нанопокрытием. Этот тип инструмента с покрытием может использовать различные комбинации различных материалов покрытия (таких как металл/металл, металл/керамика, керамика/керамика и т. д.) для удовлетворения различных функциональных и эксплуатационных требований. Разумно разработанные нанопокрытия могут сделать материалы инструмента обладающими превосходными антифрикционными и противоизносными функциями и самосмазывающимися свойствами, которые подходят для высокоскоростной сухой резки.
(2) Характеристики инструментов с покрытием
Эксплуатационные характеристики инструментов с покрытием следующие:
① Хорошие механические и режущие характеристики: Инструменты с покрытием сочетают в себе превосходные свойства основного материала и материала покрытия, сохраняя хорошую ударную вязкость и высокую прочность основного материала, а также обладая высокой твердостью, высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения покрытия. Поэтому скорость резания инструментов с покрытием может быть увеличена более чем в 2 раза по сравнению с инструментами без покрытия, и допускается более высокая скорость подачи. Срок службы инструментов с покрытием также увеличивается.
② Высокая универсальность: Инструменты с покрытием обладают широкой универсальностью и значительно расширяют диапазон обработки. Один инструмент с покрытием может заменить несколько инструментов без покрытия.
③ Толщина покрытия: Срок службы инструмента увеличится с увеличением толщины покрытия, но когда толщина покрытия достигнет насыщения, срок службы инструмента больше не увеличится значительно. Если покрытие слишком толстое, легко вызвать отслоение; если покрытие слишком тонкое, износостойкость плохая.
④ Переточка: Переточка лезвий с покрытием выполняется некачественно, оборудование для нанесения покрытия сложное, требования к процессу высоки, а время нанесения покрытия длительное.
⑤ Материал покрытия: Инструменты с различными материалами покрытия имеют разные режущие характеристики. Например: покрытие TiC имеет преимущество при низкоскоростной резке; TiN больше подходит для высокоскоростной резки.
(3) Применение инструментов с покрытием
Инструменты с покрытием имеют большой потенциал в области обработки с ЧПУ и в будущем станут важнейшим типом инструмента в области обработки с ЧПУ. Технология нанесения покрытия применяется к концевым фрезам, разверткам, сверлам, инструментам для обработки сложных отверстий, зубофрезам, зубодолбёжным фрезам, зубошевинговым фрезам, формовочным протяжкам и различным устанавливаемым на станке индексируемым пластинам для удовлетворения потребностей высокоскоростной резки различных сталей и чугунов, жаропрочных сплавов и цветных металлов.
5. Типы, свойства, характеристики и области применения твердосплавных инструментальных материалов
Инструменты из цементированного карбида, особенно индексируемые инструменты из цементированного карбида, являются ведущими продуктами инструментов для обработки с ЧПУ. С 1980-х годов различные типы интегральных и индексируемых инструментов или лезвий из цементированного карбида были расширены в различных областях режущего инструмента. Среди них индексируемые инструменты из цементированного карбида расширились от простых токарных инструментов и торцевых фрез до различных областей точного, сложного и формовочного инструмента.
(1) Типы твердосплавных инструментов
По основному химическому составу твердые сплавы можно разделить на твердые сплавы на основе карбида вольфрама и твердые сплавы на основе карбида (нитрида) титана (TiC(N)).
В состав цементированного карбида на основе карбида вольфрама входят три типа: вольфрам-кобальтовый тип (YG), вольфрам-кобальт-титановый тип (YT) и тип с добавлением редкоземельного карбида (YW). Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Основными компонентами являются карбид вольфрама (WC), карбид титана (TiC), карбид тантала (TaC), карбид ниобия (NbC) и т. д. Обычно используемой фазой металлической связи является Co.
Твердый сплав на основе карбида (нитрида) титана представляет собой твердый сплав, основным компонентом которого является TiC (в некоторые сплавы добавляются другие карбиды или нитриды), а в качестве связующих металлов обычно используются Mo и Ni.
ISO (Международная организация по стандартизации) делит режущие твердые сплавы на три категории:
Категория K, включая Kl0~K40, эквивалентна категории YG моей страны (основной компонент — WC-Co).
Категория P, включая P01~P50, эквивалентна категории YT в моей стране (основной компонент — WC-TiC-Co).
Категория M, включая M10~M40, эквивалентна категории YW в моей стране (основной компонент — WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Каждая марка представлена числом от 01 до 50, обозначающим серию сплавов от высокой твердости до максимальной прочности.
(2) Эксплуатационные характеристики твердосплавных инструментов
Эксплуатационные характеристики твердосплавных инструментов следующие:
① Высокая твердость: инструменты из твердого сплава изготавливаются из карбидов (называемых твердой фазой) с высокой твердостью и температурой плавления и металлического связующего вещества (называемого связующей фазой) посредством порошковой металлургии. Их твердость достигает 89-93HRA, что намного выше, чем у быстрорежущей стали. При 5400 градусах твердость все еще может достигать 82-87HRA, что равно твердости быстрорежущей стали при комнатной температуре (83-86HRA). Значение твердости твердого сплава зависит от природы, количества, размера частиц и содержания фазы металлической связи карбидов и, как правило, уменьшается с увеличением содержания фазы металлической связи. Когда содержание связующей фазы одинаково, твердость сплава YT выше, чем у сплава YG, а сплав с добавлением TaC (NbC) имеет более высокую твердость при высоких температурах.
② Прочность на изгиб и ударная вязкость: прочность на изгиб обычно используемого твердого сплава находится в диапазоне 900-1500МПа. Чем выше содержание металлической связующей фазы, тем выше прочность на изгиб. При одинаковом содержании связующего прочность сплава типа YG (WC-Co) выше, чем у сплава типа YT (WC-TiC-Co), и прочность уменьшается с увеличением содержания TiC. Твердый сплав является хрупким материалом, и его ударная вязкость при комнатной температуре составляет всего 1/30 - 1/8 от ударной вязкости быстрорежущей стали.
(3) Применение широко используемых твердосплавных инструментов
Сплавы типа YG в основном используются для обработки чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов. Мелкозернистый цементированный карбид (например, YG3X, YG6X) имеет более высокую твердость и износостойкость, чем среднезернистый, при одинаковом содержании кобальта. Он подходит для обработки некоторых специальных твердых чугунов, аустенитной нержавеющей стали, жаропрочных сплавов, титановых сплавов, твердой бронзы и износостойких изоляционных материалов.
Выдающимися преимуществами твердого сплава типа YT являются высокая твердость, хорошая термостойкость, более высокая твердость и прочность на сжатие при высокой температуре, чем у типа YG, и хорошая стойкость к окислению. Поэтому, когда инструмент должен иметь более высокую термостойкость и износостойкость, следует выбирать сорт с более высоким содержанием TiC. Сплавы YT подходят для обработки пластиковых материалов, таких как сталь, но не подходят для обработки титановых сплавов и кремниево-алюминиевых сплавов.
Сплавы YW обладают свойствами как сплавов YG, так и сплавов YT и имеют хорошие комплексные свойства. Их можно использовать для обработки стали, чугуна и цветных металлов. Если содержание кобальта в этом типе сплава соответствующим образом увеличить, прочность может быть очень высокой и их можно использовать для грубой обработки и прерывистой резки различных труднообрабатываемых материалов.
6. Типы, характеристики и применение инструмента из быстрорежущей стали
Быстрорежущая сталь (HSS) — это высоколегированная инструментальная сталь с большим количеством легирующих элементов, таких как W, Mo, Cr и V. Инструменты из быстрорежущей стали обладают превосходными комплексными характеристиками с точки зрения прочности, вязкости и обрабатываемости. Быстрорежущая сталь по-прежнему занимает важное место в сложных инструментах, особенно в производстве инструментов для обработки отверстий, фрез, резьбонарезных инструментов, протяжек, зуборезных инструментов и других инструментов со сложными формами лезвий. Инструменты из быстрорежущей стали легко затачивать режущую кромку.
В зависимости от области применения быстрорежущую сталь можно разделить на быстрорежущую сталь общего назначения и быстрорежущую сталь повышенной производительности.
(1) Инструменты общего назначения из быстрорежущей стали
Быстрорежущая сталь общего назначения. Как правило, ее можно разделить на две категории: вольфрамовая сталь и вольфрамо-молибденовая сталь. Этот тип быстрорежущей стали содержит от 0.7% до 0.9% вольфрама. В зависимости от различного содержания вольфрама в стали ее можно разделить на вольфрамовую сталь, содержащую 12% или 18% W, вольфрамо-молибденовую сталь, содержащую 6% или 8% W, и молибденовую сталь, содержащую 2% или не содержащую W. Быстрорежущая сталь общего назначения имеет определенную твердость (63-66HRC) и износостойкость, высокую прочность и вязкость, хорошую пластичность и технологичность обработки, поэтому она широко используется при изготовлении различных сложных инструментов.
① Вольфрамовая сталь: Типичная марка быстрорежущей вольфрамовой стали общего назначения - W18Cr4V (сокращенно W18), которая имеет хорошие комплексные характеристики. Высокотемпературная твердость при 6000 градусах составляет 48,5HRC, что может использоваться для изготовления различных сложных инструментов. Она имеет такие преимущества, как хорошая шлифуемость и низкая чувствительность к обезуглероживанию, но из-за высокого содержания карбида, неравномерного распределения, крупных частиц, низкой прочности и вязкости.
② Вольфрамо-молибденовая сталь: относится к быстрорежущей стали, полученной путем замены части вольфрама в вольфрамовой стали на молибден. Типичная марка вольфрамо-молибденовой стали — W6Mo5Cr4V2 (сокращенно M2). Частицы карбида M2 мелкие и однородные, а ее прочность, вязкость и высокотемпературная пластичность лучше, чем у W18Cr4V. Другая вольфрамо-молибденовая сталь — W9Mo3Cr4V (сокращенно W9), которая имеет немного более высокую термостойкость, чем сталь M2, лучшую прочность на изгиб и вязкость, чем W6M05Cr4V2, и имеет хорошую обрабатываемость.
(2) Высокопроизводительные инструменты из быстрорежущей стали
Высокопроизводительная быстрорежущая сталь относится к новому типу стали, в состав которой добавлено некоторое количество углерода, ванадия и легирующих элементов, таких как Co и Al, в общий состав быстрорежущей стали, тем самым улучшая ее жаропрочность и износостойкость. В основном существуют следующие категории:
① Высокоуглеродистая быстрорежущая сталь. Высокоуглеродистая быстрорежущая сталь (например, 95W18Cr4V) имеет высокую твердость при комнатной температуре и высокой температуре. Подходит для изготовления инструментов для обработки обычной стали и чугуна, сверл, разверток, метчиков и фрез с высокими требованиями к износостойкости или для обработки более твердых материалов. Не подходит для больших ударов.
② Высокованадиевая быстрорежущая сталь. Типичные марки, такие как W12Cr4V4Mo (сокращенно EV4), содержат 3%~5% V, обладают хорошей износостойкостью и подходят для резки материалов, которые чрезвычайно подвержены износу инструментами, таких как фибра, твердая резина, пластик и т. д. Также ее можно использовать для обработки нержавеющей стали, высокопрочной стали и жаропрочных сплавов.
③ Кобальтовая быстрорежущая сталь. Это кобальтсодержащая сверхтвердая быстрорежущая сталь. Типичные марки, такие как W2Mo9Cr4VCo8 (сокращенно M42), обладают высокой твердостью, и ее твердость может достигать 69~70HRC. Она подходит для обработки труднообрабатываемых материалов, таких как высокопрочная жаропрочная сталь, жаропрочные сплавы, титановые сплавы и т. д. M42 обладает хорошей шлифуемостью и подходит для изготовления точных и сложных инструментов, но не подходит для работы в условиях ударной резки.
④ Алюминиевая быстрорежущая сталь. Это содержащая алюминий сверхтвердая быстрорежущая сталь. Типичные марки включают W6Mo5Cr4V2Al (сокращенно 501). Ее высокотемпературная твердость при 6000 градусах также достигает 54HRC. Ее режущая способность эквивалентна M42. Она подходит для изготовления фрез, сверл, разверток, зубчатых фрез, протяжек и т. д. Она используется для обработки легированной стали, нержавеющей стали, высокопрочной стали и жаропрочных сплавов.
⑤ Азотная сверхтвердая быстрорежущая сталь. Типичные марки включают W12M03Cr4V3N (сокращенно (V3N). Это азотсодержащая сверхтвердая быстрорежущая сталь. Ее твердость, прочность и вязкость эквивалентны M42. Она может использоваться в качестве замены кобальтсодержащей быстрорежущей стали и применяется для низкоскоростной резки труднообрабатываемых материалов и низкоскоростной высокоточной обработки.
(3) Плавка быстрорежущей стали и порошковая металлургия быстрорежущей стали
В зависимости от особенностей процесса производства быстрорежущую сталь можно разделить на литейную быстрорежущую сталь и порошковую быстрорежущую сталь.
① Плавка быстрорежущей стали: Обычная быстрорежущая сталь и высокопроизводительная быстрорежущая сталь производятся методами плавки. Они превращаются в режущие инструменты с помощью таких процессов, как плавка, литье в слитки, гальванопокрытие и прокатка. Серьезной проблемой, которая легко возникает при плавке быстрорежущей стали, является сегрегация карбидов. Твердые и хрупкие карбиды неравномерно распределены в быстрорежущей стали, а зерна крупные (до десятков микрон), что отрицательно влияет на износостойкость, прочность и режущие характеристики инструментов из быстрорежущей стали.
② Порошковая металлургия быстрорежущей стали (PM HSS): Порошковая металлургия быстрорежущей стали (PM HSS) представляет собой стальную жидкость, расплавленную в высокочастотной индукционной печи, которая распыляется аргоном высокого давления или чистым азотом, а затем быстро охлаждается для получения мелкой и однородной кристаллической структуры (порошок быстрорежущей стали). Полученный порошок затем прессуется в заготовку ножа под высокой температурой и высоким давлением или сначала превращается в стальную заготовку, а затем куется и прокатывается в форму инструмента. По сравнению с быстрорежущей сталью, изготовленной методом плавления, PM HSS имеет преимущества мелкого и однородного зерна карбида, а также гораздо более высокую прочность, вязкость и износостойкость, чем выплавляемая быстрорежущая сталь. В области сложных инструментов с ЧПУ инструменты PM HSS получат дальнейшее развитие и займут важное место. Типичные марки, такие как F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN и т. д., могут использоваться для изготовления крупногабаритных, тяжелонагруженных и высокоударных режущих инструментов, а также могут использоваться для изготовления прецизионных режущих инструментов.
Принципы выбора материалов для инструмента с ЧПУ
В настоящее время широко используемые материалы для инструментов с ЧПУ в основном включают алмазные инструменты, инструменты из кубического нитрида бора, керамические инструменты, инструменты с покрытием, твердосплавные инструменты и инструменты из быстрорежущей стали. Существует много марок инструментальных материалов, и их эксплуатационные характеристики сильно различаются. Основные эксплуатационные показатели различных инструментальных материалов приведены в следующей таблице.
Материалы инструментов для обработки на станках с ЧПУ должны выбираться в соответствии с обрабатываемой деталью и характером обработки. Выбор материалов инструментов должен быть разумно согласован с объектом обработки. Соответствие материалов режущего инструмента и объектов обработки в основном относится к соответствию механических свойств, физических свойств и химических свойств двух для получения наибольшего срока службы инструмента и максимальной производительности резки.
1. Соответствие механических свойств материалов режущего инструмента и объектов обработки
Проблема согласования механических свойств режущих инструментов и обрабатываемых объектов в основном касается согласования параметров механических свойств, таких как прочность, вязкость и твердость материалов инструмента и заготовки. Инструментальные материалы с различными механическими свойствами подходят для обработки различных материалов заготовки.
① The order of tool material hardness is: diamond tool> cubic boron nitride tool> ceramic tool> cemented carbide>быстрорежущая сталь.
② The order of bending strength of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide> ceramic tool>Инструмент из алмаза и кубического нитрида бора.
③ The order of toughness of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide>кубический нитрид бора, алмазный и керамический инструмент.
Материалы заготовки высокой твердости должны обрабатываться инструментами более высокой твердости. Твердость материала инструмента должна быть выше, чем у материала заготовки, как правило, требуется, чтобы она была выше 60HRC. Чем выше твердость материала инструмента, тем лучше его износостойкость. Например, когда содержание кобальта в твердом сплаве увеличивается, его прочность и вязкость увеличиваются, а твердость уменьшается, что подходит для грубой обработки; когда содержание кобальта уменьшается, его твердость и износостойкость увеличиваются, что подходит для тонкой обработки.
Инструменты с превосходными высокотемпературными механическими свойствами особенно подходят для высокоскоростной резки. Превосходные высокотемпературные характеристики керамических инструментов позволяют им резать на высоких скоростях, а допустимая скорость резки может быть увеличена в 2–10 раз по сравнению с твердым сплавом.
2. Сопоставление физических свойств материалов режущего инструмента с объектами обработки
Инструменты с различными физическими свойствами, такие как инструменты из быстрорежущей стали с высокой теплопроводностью и низкой температурой плавления, керамические инструменты с высокой температурой плавления и низким тепловым расширением, алмазные инструменты с высокой теплопроводностью и низким тепловым расширением и т. д., подходят для обработки различных материалов заготовок. При обработке заготовок с плохой теплопроводностью следует использовать инструментальные материалы с лучшей теплопроводностью, чтобы обеспечить быструю передачу тепла резки и снизить температуру резки. Алмаз обладает высокой теплопроводностью и температуропроводностью, поэтому тепло резки может легко рассеиваться, не вызывая большой тепловой деформации, что особенно важно для инструментов прецизионной обработки с высокими требованиями к точности размеров.
① Температура термостойкости различных инструментальных материалов: 700-8000 градуса для алмазных инструментов, 13000-15000 градуса для инструментов из PCBN, 1100-12000 градуса для керамических инструментов, 900-11000 градуса для твердого сплава на основе TiC(N), 800-9000 градуса для сверхмелкозернистого твердого сплава на основе WC и 600-7000 градуса для быстрорежущей стали.
② The order of thermal conductivity of various tool materials: PCD>PCBN>WC-based cemented carbide>TiC(N)-based cemented carbide>HSS>Si3N4-based ceramics>Керамика на основе Al2O3-.
③The thermal expansion coefficients of various tool materials are in the following order: HSS>WC-based carbide>TiC(N)>Al2O3-based ceramics>PCBN>Si3N4-based ceramics>ПКД.
④The thermal shock resistance of various tool materials is in the following order: HSS>WC-based carbide>Si3N4-based ceramics>PCBN>PCD>TiC(N)-based carbide>Керамика на основе Al2O3-.
3. Соответствие химических характеристик материалов режущего инструмента и обрабатываемых объектов
Проблема соответствия химических характеристик материалов режущих инструментов и обрабатываемых объектов в основном касается параметров химических характеристик, таких как химическое сродство, химическая реакция, диффузия и растворение материалов инструментов и материалов заготовок. Инструменты из разных материалов подходят для обработки разных материалов заготовок.
①The anti-adhesion temperature of various tool materials (with steel) is: PCBN>ceramics>carbide>ХСС.
②The anti-oxidation temperature of various tool materials is: ceramics>PCBN>carbide>diamond>ХСС.
③ The diffusion strength of various tool materials (for steel) is: diamond>Si3N4-based ceramics>PCBN>Al2O3-based ceramics. The diffusion strength (for titanium) is: Al2O3-based ceramics>PCBN>SiC>Si3N4>алмаз.
4. Разумный выбор материалов для инструмента с ЧПУ
В целом, PCBN, керамические инструменты, твердые сплавы с покрытием и твердосплавные инструменты на основе TiCN подходят для обработки на станках с ЧПУ черных металлов, таких как сталь; в то время как инструменты PCD подходят для обработки цветных металлов, таких как Al, Mg, Cu и их сплавов, а также неметаллических материалов. В следующей таблице показаны некоторые материалы заготовок, подходящие для обработки различными инструментальными материалами.