- RU
- ENG
Универсальный токарно-винторезный станок модели CS6266Bх1500 (Ø660 х 1500 мм)Страна: КитайПроизводитель:
Основной тенденцией развития современной металлообработки является постоянное повышение скорости резания. Преимущества высокоскоростного резания могут быть достигнуты только при условии создания инструментов с принципиально новым уровнем свойств. Этим объясняется повышенное внимание машиностроителей к новым видам режущей керамики и оснащенных ею инструментов. Их рациональное применение способно обеспечить не только рост технико-экономических показателей металлообработки, но и прорыв в создании новых конкурентоспособных машин. Развитие этих инструментов направлено на прецизионную лезвийную обработку, удовлетворение требований экологических норм и экономию дефицитных металлов.
В современной отечественной промышленности потенциальные преимущества режущей керамики реализуются в очень узкой области применения. В первую очередь из-за несоответствия большей части имеющегося технологического оборудования требованиям эксплуатации инструмента, оснащенного режущей керамикой. Во-вторых, из-за устойчивых представлений заводских технологов о низкой прочности и природной хрупкости керамик в принципе, которые определяют высокую вероятность внезапного разрушения инструмента. В результате в настоящее время объем режущей керамики, применяемой в отечественной металлообработке, не превышает 2-3 процента от общего числа инструментов. И это несмотря на большой дефицит высокопроизводительных инструментов в отраслях, производящих современную технику из труднообрабатываемых материалов.
На самом деле достижения в деле совершенствования режущей керамики так велики, что она все более вытесняет твердые сплавы и даже сверхтвердые материалы при обработке ковких, отбеленных и серых чугунов, жаропрочных и титановых сплавов, относящихся к группам обработки резанием К и S по ISO.
Активно ведутся работы по созданию новых или усовершенствованию известных марок керамики с целью повышения их прочностных характеристик. К таким разработкам относится керамика, армированная (вискерованная) «нитевидными кристаллами» SiC или легированная TiB2, ZrO2, Y2O3 и другими компонентами. Кроме того, наряду с совершенствованием составов керамики, для повышения ее эксплуатационных характеристик в промышленности используют различные способы нанесения износостойких покрытий и совершенствование технологий прессования сменных режущих пластин (СРП).
В табл. 1 приводятся сведения о типах и составах современной режущей керамики, а на рис. 1 показано их место в группе инструментальных материалов для высокоскоростной обработки.
В табл. 2 представлены марки и области применения режущей керамики, предлагаемой на рынке инструмента, а в табл. 3 - режимы резания, рекомендуемые ее изготовителями.
Традиционно керамика применялась для обработки чугунов и обработки закаленных сталей в благоприятных условиях. Современная керамика позволяет обрабатывать твердые материалы в неблагоприятных условиях (например, при черновом прерывистом резании), существенно повысить эффективность обработки современных труднообрабатываемых чугунов, а также вывести на новый уровень производительности обработку жаропрочных сплавов.
Оксидно-карбидная (смешанная, черная) керамика на основе Al2O3 с добавками предназначена для чистовой, получистовой и прерывистой обработки ковких, высокопрочных, отбеленных, модифицированных чугунов, сталей, закаленных до 30-65 HRC.
Керамические режущие пластины на основе Al2O3-TiC (тип 1) очень устойчивы к воздействию высоких температур. Уменьшенная пластическая деформация обеспечивают широкий диапазон использования, в том числе для чистовой обработки закаленных материалов.
Сфера применения: точение и растачивание серого чугуна; точение жаропрочных сплавов и твердых материалов (с твердостью ниже 65 HRC).
Оксидная (белая) керамика (тип 2) предпочтительнее при точении заготовок из ферритных ковких чугунов и незакаленных конструкционных сталей при скоростях резания свыше 250 м/мин (сверхтвердые материалы в этом случае не работоспособны).
Керамические режущие пластины, состоящие в основном из оксида алюминия с высокой степенью чистоты обладают очень плотной мелкозернистой структурой и имеют высокий уровень износо- и трещиностойкости. Сфера применения: точение и растачивание серого чугуна; точение фасок на трубах. С целью совершенствования керамики применяют ее объемное легирование оксидами иттрия, магния и циркония, нитридом титана и др. Роль последних заключается в образовании жидких фаз, интенсифицирующих уплотнение материала и препятствующих росту зерна при высокотемпературном спекании. Например, при изготовлении оксидной керамики на основе Аl2O3 добавление ZrO2 в количестве 16% позволяет повысить прочность на изгиб в среднем на 8%.
Нитридная керамика «силинит» на основе Si3N4 (тип 3) предназначена для обработки чугунов и отожженных конструкционных и инструментальных сталей. Она уступает в скорости резания оксидной керамике на основе Al2O3 при обработке деформируемых сплавов на основе алюминия и закаленной стали. При обработке серого чугуна силинит уступает нитриду бора. Керамические режущие пластины, состоящие в основном из нитрида кремния Si3N4, обладают великолепной ударной вязкостью и износостойкостью и демонстрируют стабильность во время черновой обточки и фрезерования чугуна при использовании СОТС. Проявляют при черновом точении высокую надежность. Сфера применения: черновое точение и фрезерование серого чугуна; черновое точение и фрезерование жаростойких сплавов.
Керамика Sialon (Si-Al-O-N) (тип 5) несколько уступает по прочности армированной керамике, поэтому применяется в основном для предварительно обработанных заготовок. Но благодаря тому, что Sialon отличается более высокой термостойкостью и химической инертностью, пластины из него характеризуются равномерным и прогнозируемым износом без проточин и выкрашиваний. Это позволяет увеличить глубину резания и уровень подач по сравнению с армированной керамикой.
Марка СС6065 из керамики Sialon компании Sandvik Coromant впервые предложена для таких переходов операций фрезерования, требующих прочности режущей кромки, как прямое врезание в контур. Пластины из СС6065 могут быть экономичной заменой режущих пластин из армированной керамики. Эту марку режущей керамики следует предпочесть в том случае, когда имеет место износ, связанный с разрушением режущих кромок, вызванный неравномерностью припуска или изменениями направления обработки при изготовлении деталей сложной формы.
СС6060 - новая марка керамики Sialon компании Sandvik Coromant обладает высокой стойкостью к образованию износа в виде проточины. Она должна применяться в благоприятных условиях работы, когда фреза и заготовка достаточно жесткие. Износостойкость этой марки керамики обеспечивает удаление больших объемов материала с открытых поверхностей, предварительно обработанных заготовок. Керамика СС6060 увеличивает производительность за счет больших глубин резания и увеличенных подач. Однако при врезании в карманы и углубления желательно использовать оптимизированные траектории.
При фрезеровании жаропрочных сплавов целесообразно использовать СРП круглой формы из вышеназванных марок керамики Sandvik Coromant. В этом случае удается достичь скоростей резания 800-1000 м/мин при подачах 0,07... 0,12 мм/ зуб. Зачастую это равносильно увеличению удельного съема металла в 100 раз по сравнению с твердосплавными фрезами. Обработка ведется без СОТС, поэтому ограничением в использовании высокоскоростного фрезерования является опасность перегрева тонких стенок изделия или прижога обрабатываемой поверхности. Для промежуточных стадий обработки, где удаляется наибольшая часть припуска, керамика Sialon компании Sandvik Coromant является в настоящее время самым производительным.
Важным направлением в области создания современной режущей керамики является создание градиентных структур. Градиентная керамика представляет собой многослойную режущую пластину, состоящую, например, из чередующихся слоев керамики на основе Al2O3 ИЛИ Si3N4 и слоев твердого сплава. Толщина каждого слоя (их количество обычно варьируется от двух до семи) составляет 0,1-3 мм. Такой инструментальный материал обладает всеми преимуществами режущей керамики, но при этом имеет более высокие прочностные характеристики и теплопроводность. На рис. 2 представлены 7 вариантов градиентных структур режущей керамики.
Отделение CeramTec компании SPK помимо марок смешанной, оксидной и нитридной керамики выпускает керамику сиалон с градиентной структурой типа (VI) X, Z в качестве трещиноустойчивой подложки для последующего многослойного износостойкого покрытия Аl2O3. В результате получен спектр высокоэффективной режущей керамики. Для повышения надежности крепления СРП из этой керамики, на них отпрессованы углубления (рис. 3).
Для обеспечения максимальной производительности и минимального времени токарной чистовой и получистовой обработки серого чугуна разработан режущий материал марки SL606 с высокой стабильностью и износостойкостью режущих кромок и великолепной ударной вязкостью. Обеспечивается достижение длительного ресурса стойкости инструмента на самых высоких скоростях резания. Для чернового точения заготовок из серого чугуна и чугуна с шаровидным графитом разработана марка SL608 из режущей керамики на основе α/β-Si-Al-O-N с градиентными характеристиками, которая особенно подходит для сложных условий обработки, значительных перепадов в глубине резания и прерывистого резания.
Режущая керамика марки SL658С обеспечивает максимальную экономическую эффективность и производительность при черновом точении заготовок из чугуна с шаровидным графитом в серийном производстве. Новая система крепления IKS-PRO (рис. 4) позволяет работать с высокой скоростью резания и большими сечениями стружки при непрерывном и прерывистом резании.
Для высококачественного чистового фрезерования крупных заготовок из серого чугуна и чугуна с шаровидным графитом разработана марка SL858C из режущего материала на основе Si-Al-O-N с многослойным покрытием, обеспечивающим высокую износостойкость при максимальной ударной вязкости. Система крепления IKS-PRO, применяемая также и во фрезах (рис. 5), обеспечивает максимальную надежность, что позволяет использовать пластины из SL858C даже для чернового непрерывного фрезерования.
Для снижения хрупкости и повышения вязкости, теплопроводности и стойкости к тепловому удару распространение получило армирование оксида алюминия Аl2O3 высокой степени чистоты нитевидными частицами материала с высоким модулем упругости, например SiC, имеющими прочность до 4000 МПа, (до 30-40% по массе). Коэффициент теплового расширения Аl2O3 (8,2-8,9 мкм/м-К) выше, чем SiC (4,4-4,7 мкм/ м-К). Из-за этой разницы после горячего прессования происходит эффект зажима волокон SiC в матрице Аl2O3, и создаются остаточные сжимающие напряжения. Трещиностойкость оксидной керамики Аl2O3 после армирования SiC может увеличиться в 1,5 раза.
Степень повышения прочности и твердости армированной (вискеризованной) режущей керамики (тип 6) определяется большим числом факторов. Наибольшее влияние оказывают объемная доля, размеры (отношение длины к диаметру) и свойства нитевидных частиц. Поэтому получение заданных свойств на границе раздела «Аl2O3 - SiC» в условиях невысокой стабильности свойств нитевидных частиц при температурах спекания затруднительно. Сфера применения армированной керамики: черновая и чистовая обточка и фрезерование серого чугуна; токарная обработка жаростойких сплавов; высокоскоростное точение стали; токарная обработка отбеленного чугуна.
Необходимо отметить, что стоимость инструмента, оснащенного СРП из армированной керамики, на 30% выше по сравнению с керамическим инструментом типов 1, 2 и 3. Поэтому ее применение экономически выгодно только в определенных областях, например при обработке жаропрочных никелевых сплавов. Например, при чистовой обработке детали из инконеля 718 с применением армированной керамики машинное время сократилось с 45 до 14 часов. Скорость резания составила 1300 м/мин (при подаче 0,1 мм/зуб), что примерно в 100 раз выше скорости, используемой ранее для обработки этого материала.
Эффект снижения образования трещин дает горячее изостатическое прессование (ГИП) высокоплотной режущей керамики. ГИП позволяет получать СРП практически любой формы с однородной и мелкозернистой структурой, с высокой (почти 100%) плотностью и с минимальными припусками на окончательное шлифование. Хотя стоимость пластин, изготовленных методом ГИП в 1,3 раза выше, чем стоимость пластин, спеченных обычным способом, СРП, полученные ГИП, эффективны в массовом производстве. Отказы режущих пластин из нитридной керамики, полученной методом ГИП, в основном происходят вследствие изнашивания без сколов и выкрашиваний. Это позволяет практически точно прогнозировать период работы инструмента до достижения отказа по установленному критерию износа, что крайне важно в условиях автоматизированного производства.
Керамические режущие СРП, полученные методом ГИП из смеси на основе карбида титана TiC (тип 8), обеспечивают высокий уровень надежности при обработке ковкого чугуна на скорости резания более 400 м/мин. Сфера применения: получистовое и чистовое точение ковкого чугуна, а также высокоскоростное точение серого чугуна с использованием СОТС.
А.Р. Маслов, д.т.н.
Журнал «Главный механик», №8, 2008
Список литературы
