Пятишпиндельный станок от Fives.
Фрезерно-копировальный станок Fives Cincinnati XT оснащен пятью шпинделями для обработки титановых деталей

Новые шпиндельные соединения компании Kennametal повышают надежность и производительность контурно-фрезерного станка Cincinnati для крупносерийного производства титановых деталей.

В период устойчивого развития таких требовательных отраслей промышленности, как производство самолетов гражданской авиации, вся цепочка поставок проходит жесткую проверку. Это обусловлено необходимостью поддержания высоких стандартов качества и соблюдения сроков.

Для машиностроительного предприятия Fives Cincinnati это знакомо: на заводе компании в г. Хеброн, штат Кентукки, производятся многоцелевые станки, системы для намотки композитного волокна и многошпиндельные контурно-фрезерные станки Cincinnati. Согласно утверждениям компании, 650 контурно-фрезерных станков которой работают по всему миру, любой используемый в гражданской авиации реактивный самолет так или иначе был изготовлен с применением технологии контурного фрезерования Cincinatti.

Центр наивысшей активности.
Рабочая зона пятишпиндельного копировально-фрезерного станка Fives Cincinnati XT

Последнее поколение станков Cincinnati XTi с возможностью трех- или пятишпиндельной компоновки с подвижным порталом впечатляет во многих отношениях. Они были спроектированы для предприятий, занимающихся обработкой различных видов материалов. Таким образом, шпиндели с частотой вращения 7000 об/мин могут резать алюминий и сталь, а шпиндели с высоким крутящим моментом (2523 Нм) способны обрабатывать титан и другие твердые сплавы. Более того, компания позиционирует XTi как «единственную многошпиндельную платформу для черновой обработки титана» и утверждает, что их скорость съема металла, составляющая 100 кубических дюймов в минуту, является рекордной в своей области.

Для XTi с перемещением 4267 мм (поэтапно увеличиваемой на 3658 мм) по оси X, 3683 мм по оси Y и 711 мм по оси Z теперь можно выбрать шпиндельные соединения KM4X100 компании Kennametal Inc.

Твердость титана при его контурной обработке или фрезеровании с меньшим или большим шагом постоянно создает трудности в плане съема металла. Повышение эффективности при обработке твердых сплавов предполагает максимальную скорость съема металла, несмотря на значительные усилия и низкую скорость резания.

Соединение для удаления.
Шпиндельное соединение KM4X100 играет важную роль в достижении максимальной скорости съема металла

Компания Fives Cincinnati, как и другие машиностроительные предприятия, ответила на этот вызов повышением жесткости станков и улучшением характеристик демпфирования. Такие улучшения позволили свести к минимуму вибрацию, негативно влияющую на качество деталей, объем выпуска продукции и срок службы инструментов, увеличив при этом производительность. Однако соединение инструмент-шпиндель все еще остается конструктивным элементом, требующим большей надежности и долговечности.

Объем материала, снимаемого во время конкретной операции, определяется надежностью соединения станка и режущего инструмента, которое должно выдерживать высокие нагрузки, оставаясь достаточно прочным даже в случае сильного изгиба инструмента или возникновения колебаний.

Более стабильная скорость съема металла (MRR).
Благодаря сочетанию высокой силы зажима и оптимального уровня интерференции KM4X обеспечивает прочное шпиндельное соединение с высокой жесткостью и максимальной стойкостью к изгибающим нагрузкам. Это повышает надежность и производительность станка при обработке твердых сплавов и других материалов

Шпиндели способны передавать определенный момент вращения, при этом силы резания создают также и изгибающие моменты, которые превышают установленные для соединения пределы еще до достижения максимального крутящего момента. Это наблюдается при торцовом фрезеровании, где вылет обычно больше, а ограничивающим фактором является стойкость шпиндельного соединения к изгибу. Например, 80-миллиметровая фреза с винтовыми зубьями и сменными режущими пластинами, выступающая за торец шпинделя на 250 мм, создает изгибающий момент 4620 Нм и крутящий момент до 900 Нм при обработке Ti6Al4V со скоростью 360 см 3 /мин, шириной резания 12,7 мм и глубиной резания 63,5 мм.

Благодаря сочетанию высокой силы зажима и оптимального уровня интерференции, новое поколение шпиндельных соединений KM4X компании обеспечивает надежность, чрезвычайно высокую жесткость и значительную стойкость к изгибающему усилию. В случае с инструментами для обработки титана это подразумевает значительное увеличение производительности станка при обработке твердых сплавов, возможность развития невероятно высокой скорости съема металла и получение большего количества готовых деталей за смену.

Инженер-аналитик Fives Cincinnati Роберт Снодграсс (Robert Snodgrass) совместно с главным менеджером по работе с клиентами компании Kennametal Майком Малоттом (Mike Malott) начал изучать характеристики KM4X примерно 4 года назад. «Инженерная концепция меня поразила, – вспоминает Снодграсс. – Она однозначно дала нам понять, что возможности проектирования станков безграничны: повышенная жесткость шпинделя позволяет не только удовлетворить требования клиентов к более эффективному процессу резания, но и увеличить объем выпускаемой продукции».

Прогресс в контурной обработке.
Процесс контурной обработки титана

Вице-президент компании Kennametal Марк Хастон (Mark Huston) поясняет: «Следует помнить, что типичные элементы конструкции самолетов делают из поковок, снимая значительное количество материала для получения готовых деталей с необходимыми параметрами. Коэффициент использования материала – отношение веса закупленного сырья к весу готовой детали – может быть 4:1, 8:1 и даже больше, в зависимости от детали».

Ввиду своей конструкции и ограничений шпиндельного соединения первое поколение контурно-фрезерных станков Cincinnati обеспечивало скорость съема металла до 4 кубических дюймов в минуту при обработке титановых деталей. Новое поколение станков Cincinnati XT в сочетании с торцевым шпиндельным соединением HSK 125 позволило увеличить эту скорость до 50 дюймов, а с появлением KM4X100 ее удалось удвоить до 100 кубических дюймов в минуту.

«Даже при 100 кубических дюймах в минуту результаты оценочных испытаний станков XT с использованием KM4X были гораздо ниже по сравнению с теоретическими пределами стойкости к изгибающему моменту», – добавил Снодграсс. Отметив, что при тестировании предыдущего поколения использовались резцедержатели с конусом CAT60, он сравнил использование 50-конусной версии с «вождением танка и внедорожника». Соединение KM4X помогло достичь в два раза большей скорости съема металла, чем при использовании 60-конусного резцедержателя. По сравнению с CAT50, HSK100 или KM4X100, CAT60 весит почти в два раза больше.

Максимальный крутящий момент, максимальная мощность.
При тестовом проходе шпиндельное соединение проходит испытание максимальным моментом вращения и силами резания. Однако это не проблема для контурно-фрезерного станка Fives Cincinnati XT со шпиндельным соединением KM4X

Менеджер по продукции компании Fives Cincinnati Кен Уичмен (Ken Wichman) заметил: «Это новое слово в конструировании шпинделей и станков. Во многих портальных станках используется ручная смена инструмента, даже при наличии устройства автоматической смены/магазина. Увеличение стойкости к изгибающему моменту в KM4X позволяет использовать более легкие инструменты, чем в случае с CAT или HSK с таким же пределом стойкости. С точки зрения эргономики это огромное преимущество для оператора. Клиенту, выбравшему автоматическую смену инструмента, KM4X позволит вместить большее количество инструментов в имеющееся пространство».

ФPAГMEHT КНИГИ (...) § 81. ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИИ
Обработка резанием металлокерамических деталей (керметов), заготовки которых получают методами порошковой металлургии, занимает при их изготовлении значительное место. Это объясняется, с одной стороны, необходимостью получения более сложных форм, чем это допускает прессование, например деталей с двумя буртами, отверстиями, перпендикулярными движению пуансонов, и взаимно перекрещивающимися осями, выточками, фасками, канавками, резьбой, и, с другой стороны, получением издлий с точностью более 4 - 5-го классов, а также удешевлением производства в тех случаях, когда применить обработку резанием проще, чем использовать сложные пресс-формы.
Твердые fплавы являются весьмараспространенной разновидностью металлокерамических материалов; из них изготавливают, например, штампы, инструменты. Для их резания наиболее часто применяют электроэрозионную, анодно-абразивную, ультразвуковую и механическую обработки.
Электроэрозионный метод является эффективным средством обработки твердых сплавов. Твердые сплавы хорошо режутся высокочастотной ЭЭО с использованием в качестве инструмента непрерывно движущейся проволоки. Так, сплав ВК20 обрабатывается медной проволокой диаметром 0,2 мм с натяжением 500 г при скорости перемотки 3 мммин на режимах мкф получаемая скорость обработки при толщине детали 5 мм - 0,65 мммин .
Анодно-абразивная обработка применяется для изготовления высокоточных твердосплавных деталей. Для этого питание обычных модернизированных шлифовальных станков производится от источников постоянного тока (машинных генераторов или выпрямителей) с напряжением 25 - 30 в. Рабочей средой является смесь масел. Ступенчатым изменением силы тока в пределах 3 - 800 а задается последовательное изменение условий обработки от черновой, обеспечивающей съем основного припуска и чистоту 5-го класса, До чистовой, дающей чистоту 9-го класса; затем осуществляется доводка абразивом до 11-го класса. Анодно-абразивную обработку применяют для заточки твердосплавных инструментов (табл. 77 - данные А. Г. Рябинюка).
Механическую обработку твердых сплавов производят лезвийным и абразивным инструментами. Основным методом обработки твердосплавных вставок для холодновысадочного инструмента является абразивное и алмазное шлифование: оно применяется для получения плоских, круглых наружных и внутренних (П>5-г-8 мм) и также фасонных поверхностей и обеспечивает при производительности 40 - 100 мм3мин точность 1-го класса и чистоту поверхности до 13-го класса.
Получение цилиндрических наружных поверхностей на деталях из твердых сплавов производится шлифованием кругами карбида кремния зеленого и алмазными кругами, а отрезка заготовок - алмазными отрезными кругами и электроэрозионным методом. Снятие материала срезаемогс слоя при шлифовании твердых сплавов кругами из карбида кремния зеленого происходит путем вырывания из основного материала, дробления и раскалывания зерен карбида вольфрама. Эти процессы сопровождаются высокой температурой (~ 1500°С), которая вызывает размягчение и оплавление относительно более легкоплавкой кобальтовой связи, ее окисление и образование микротрещин. Этй явления приводят к низкому качеству поверхности. При алмазном шлифовании вследствие высокой твердости и остроты режущих кромок снятие материала происходит путем среза; температура в зоне резания в этом случае много ниже (500 - 600°С); все это способствует высокому качеству поверхности.
Лезвийный инструмент на ряде операций изготовления изделий из твердых сплавов показывает высокую эффективность. Установлено, что твердые сплавы в состоянии всестороннего неравномерного сжатия могут пластически деформироваться . Деформация протекает путем смещения отдельных блоков кристаллитов карбидной фазы, сдвигов в них, а также дробления карбидных зерен. Процесс резания твердых сплавов, так же как и других материалов, основан на разности твердостей заготовки и инструмента; однако у них степень пластической деформации в зоне стружкообразования небольшая. При обработке сплавов с содержанием кобальта свыше 15% образуется стружка надлома, отдельные куски которой состоят из сдвинутых слоев. Температура резания твердых сплавов составляет 300 - 370° С; это обеспечивает отсутствие микротрещин и структурных превращений. Поверхностный слой твердого сплава после обработки резанием представляет собой уплотненный тонкий слой, под которым располагаются зерна сплава, претерпевшие срез, скол и пластическую деформацию.
Точение твердосплавных вставок штампов из сплавов ВК20, ВК25 производится резцами, оснащенными пластинками сплава ВКЗМ, которые укреплены пайкой латунью «7162. Рекомендуются следующие режимы: для чернового точения t=0,2 - 0,5 мм,
so = 0,3-j-0,5 ммоб, v = 2-1-3 ммин для чистового =0,2 - 0,3 мм, s0=0,08-i-0,12 ммоб, о=3 - 4 ммин. Отрезка ведется на режимах so=0,05 ммоб, о = 4 - 5 ммин.
Металлокерамические пористые материалы широко применяют для изготовления подшипников скольжения; по уровню допустимых скоростей резания они также относятся к труднообрабатываемым. Так, если скорость резания, соответствующая 20-минутной стойкости твердосплавного (ВК8) резца, при обработке молибдена равна 100 ммин, то при точении пористого железографита марки ЖГЗ она не превышает 25 - 45 ммин. Наиболее распространены пористые материалы на основе железа и меди. Материалы на железной основе имеют поры неправильной формы, сообщающиеся друг с другом. Для бронзографйта характерны сфероидальные поры, обособленные друг от друга, вследствие чего при механической обработке деформация поверхностного слоя больше.
Обработка резанием пористых материалов затруднена вследствие нестабильности процесса резания из-за несплошности материала, пониженной теплопроводности, приводящей к высоким температурам в зоне резания (до 600°С), повышенной склонности к окислению; образующиеся окислы железа оказывают повышенное абразивное воздействие на инструмент.
По обрабатываемости пористые материалы ближе к чугунам; износ инструмента при их обработке происходит также только по задней поверхности. Учитьщая ухудшение Антифрикционных свойств подшипников при обработке затупленным инструментом, критерий затупления относительно мал: г3 = 0,4-0,5 мм.
Требования к механической обработке определяются назначением поверхности - для поверхностей скольжения необходим свободный доступ смазки в зону трения, т. е. мало деформированная поверхность, для неподвижных соединений нужна уплотненная поверхность, обеспечивающая необходимую прочность сопряжения. Поэтому режимы обработки по качеству получаемой поверхности делятся на неуплотняющие и уплотняющие .
Наиболее пригодны для обработки пористых материалов твердые сплавы марок ВК8, ВКЗМ, ВК6М. Скорость резания при обработке пористых металлокерамических материалов должна быть достаточно большой, чтобы выйти за зону наростообразования и обеспечить однородную шероховатость с умеренным наклепом материала поверхностного слоя. Учитывая это, при пористости обрабатываемого материала 15% скорость резания равна 85 - 250 mSmuh, при пористости 20% v= 100 - 400 ммин, при пористости 30% и=110 - 500 ммин. Подачи должны быть небольшие: при обработке высокопористых материалов (больше 25%) s0 = =0,035 ммоб, низкопористых - so=0,07 ммоб.
Металлокерамические материалы, получаемые стеканием смеси порошков металлов и их сплавов (AI2O3 - Al, AI2O3 - Cr, TiC - Ni, ZrC - Fe, Si - S), находят значительное промышленное применение; обрабатываемость резанием даже таких малопроуных, как железографитовые (Fe + ,+ Cu + C), как правило, значительно хуже, чем стали 40 X и серого чугуна СЧ 15 - 32 . Это объясняется тем, что при точении этих материалов температура резания высока, несмотря на их более низ-- ; кие прочность и пластичность, а также величины действующих сил резания. Повышение температуры получается вследствие значительно меньшей (1,5 - 2 раза) теплопроводности. Кроме того, плохая обрабатываемость резанием объясняется их более высокой истирающей способностью и также неблагоприятными условиями работы инструментального материала, обусловленными периодическим усталостным воздействием пор.
Обрабатываемость металлокерамических материалов определяется прежде всего структурой; наилучшей обрабатываемостью обладают материалы с ферритной структурой, затем, в порядке ухудшения, идут структуры фрритоперлитные, перлитные и перлитные с включением цементита. Значительное влияние на обрабатываемость оказывает форма частиц цементита, входящего в перлит; зернистый перлит обеспечивает более высокую стойкость по сравнению с пластинчатым. Это объясняется тем, что температура резания возрастает с увеличением содержания перлита и включений цементита в структуре металлокерамических материалов и, наоборот, снижается с увеличением количества феррита. Кроме того, соотношение показателей истирающей способности металлокерамических материалов с различными структурами аналогично обычным сталям; наименьшую истирающую способность показывает зернистый перлит, наибольшую - пластинчатый.
Обрабатываемость металлокерамических изделий зависит также от их пористости и степени пропитки маслом; повышение пористости с 15 до 30% увеличивает скорость резания v60 при точении заготовок, пропитанных маслом, на 50% и непропитанных - на 20%. Это объясняется тем, что повышение пористости ведёт к снижению температуры резания на 154-20°. Пропитка маслом также увеличивает значение о6о с 20% (при одной и той же пористости 15%) до 50% (при пористости 30%). Влияние пропитки маслом на повышение скорости резания больше для металлокерамических материалов, не содержащих графит, так как в последнем слуаае температура резания в 1,4-4-1,5 раза выше. Это объясняется тем, что графит играет роль смазки, при этом эффективность смазывающего и охлаждающего действия масла уменьшается. При использовании пропитки маслом как средства повышения производительности надо учитывать, что оно ухудшает санитарно-гигиенические условия выполнения операции, поскольку в процессе резания масло выгорает и его шары загрязняют атмосферу.
Металлические покрытия находят широкое применение как средство повышения жаростойких, износостойких и антикоррозионных характеристик деталей. Покрытия наносятся различу ными путями, обычно электрометаллизацией распылением. Наиболее часто обработку покрытий резанием осуществляют точением и шлифованием; это объясняется особенностями обрабатываемых изделий, а также тем, что обработка покрытий другими способами-(сверлением, фрезерованием, строганием) связана с определенными трудностями, обусловленными интенсивными выкрашиваниями обрабатываемого слоя.
Отличительной особенностью строения металлических покрытий является их слоистость - частицы металла сильно вытянуты и разделены между собой пленками окислов. Помимо этого, материал имеет большую пористость и неоднородность строения, в нем находятся оксиды, нитриды й другие химические соединения, имеющие высокую твердость. Напыленный металл по сравнению с исходным обладает большой хрупкостью. Твердость напыленного металла значительно выше исходного. Так, при нанесении низко-углеродистой стали твердость покрытия выше на 35-т-60%, а микротвердость вследствие наличия пор и трещин еще больше (в несколько раз). Все это приближает свойства покрытий к свойствам литого металла; однако они имеют свои специфические особенности. Характерными особенностями обработки резанием металлических покрытий являются:
1) хрупкость обрабатываемого материала; вызывает специфический процесс стружкообразования (см. стр. 46), когда нагрузки от процесса резания сосредоточиваются непосредственно у режущей кромки. Концентрация напряжений вызывает повышенный износ резцов у вершины. Во избежание выкрашивания поверхностного слоя не следует обрабатывать у деталей острые кромки и резкие переходы;
2) высокое истирающее (абразивное) воздействие на рабочие поверхности инструмента; оно обусловлено наличием в обрабатываемом покрытии мельчайших включений высокой твердости, которые препятствуют также пластической деформации в процессе стружкообразования; %
3) пониженная теплопроводность покрытий вследствие их пористости и наличия окислов; в результате этого при обработке резанием покрытий часто имеют место прижоги; для их устранения следует применять эффективные охлаждающие жидкости;
4) трудность получения поверхностей высокой чистоты вследствие специфического строения металлизационного слоя. Износ инструмента в процессе обработки вызывает местные разрушения поверхности покрытия: ее выкрашивание, отслаивание, появление чешуек.
Шлифование покрытий имеет отличительную особенность - быстрое засаливание круга; кроме того, пониженная теплопроводность покрытий при шлифовании часто приводит к образованию прижогов. Во избежание этого следует применять жидкости, обладающие эффективным охлаждающим дёйствием.

Вопрос финишной обработки закаленной стали решается в современном производстве в основном абразивной обработкой. До последнего времени это объяснялось разным уровнем оборудования для шлифования и лезвийной обработки. Токарные станки не могли гарантировать ту же точность, что достигалась на шлифовальных станках. Но сейчас современные станки с ЧПУ имеют достаточную точность перемещений и жесткость, поэтому доля токарной и фрезерной обработки твердых материалов постоянно расширяется во многих отраслях. Точение закаленных заготовок стало применяться в автомобильной промышленности с середины восьмидесятых годов прошлого века, но сегодня в этом виде обработки начинается новая эра.

Термообработанные заготовки

Множество стальных деталей требует термообработки или поверхностного упрочнения для приобретения дополнительной износостойкости и способности выдерживать значительные нагрузки. К сожалению, высокая твердость негативно отражается на обрабатываемости таких деталей. Детали зубчатых передач и различные валы и оси - типичные закаленные детали, обрабатываемые точением, фрезерованию в закаленном виде подвергаются штампы и пресс-формы. Термообработанные детали - тела качения, как правило, требуют чистовой и финишной обработки, которая убирает погрешности формы и обеспечивает требуемую точность и качество поверхностей. Что касается деталей штампов и пресс-форм, то сейчас есть тенденция к их обработке в закаленном состоянии уже на стадии черновой обработки. Это приводит к значительному сокращению времени изготовления штампа.

Обработка твердых материалов

Обработка деталей после термообработки - вопрос, требующий гибкого подхода. Диапазон решений зависит от типа инструментального материала, выбранного для обработки. Для инструмента способность обрабатывать твердые материалы означает - высокую термостойкость, высокую химическую инертность, стойкость к абразивному износу. Такие требования к инструментальному материалу определяются самим процессом обработки. При резании твердых материалов на режущую кромку оказывается высокое давление, что сопровождается выделением большого количества тепла. Большие температуры помогают процессу, приводя к разупрочнению стружки, тем самым, снижая силы резания, но отрицательно влияют на инструмент. Поэтому далеко не все инструментальные материалы подходят для обработки термообработанных деталей.

Твердые сплавы используются для обработки материалов твердостью до 40HRc. Для этого рекомендуются мелкозернистые твердые сплавы с острой режущей кромкой, хорошо сопротивляющиеся абразивному износу и обладающие высокой термостойкостью и стойкостью к пластической деформации. Такие свойства имеют твердые сплавы без покрытий, например H13A производства фирмы Sandvik Coromant. Но также можно успешно использовать сплавы с износостойкими покрытиями для чистовой обработки и областью применения P05 и К05, например GC4015, GC3005.

Самая неудобная для обработки резанием заготовка - это заготовка с твердостью 40…50HRc. Твердые сплавы при работе в этом диапазоне уже не устраивают по своей термостойкости. В то же время, КНБ и керамика быстро изнашивается, т.к. из-за недостаточной твердости обрабатываемого материала на передней поверхности инструмента образуется нарост, вызывающий сколы режущей кромки при его срыве. Поэтому проблема выбора инструментального материала для работы в этом диапазоне твердости решается на основе экономических соображений. В зависимости от серийности производства приходится либо мириться с низкой производительностью и размерной точностью при работе твердым сплавом, либо более производительно работать керамикой и КНБ, но с риском поломки пластины.

При более высокой твердости 50-70HRс выбор однозначно склоняется в сторону обработки с использованием инструмента с режущей частью из керамики или кубического нитрида бора. Керамика позволяет производить даже прерывистую обработку, но обеспечивает несколько большую шероховатость поверхности, чем КНБ. При обработке КНБ может быть достигнута шероховатость до 0,3Ra, в то время как керамика создает поверхность шероховатостью 0,6Ra. Это объясняется различными моделями износа инструментального материала: КНБ имеет в нормальных условиях равномерный износ по задней поверхности, а на керамике образуются микровыкрашивания. Таким образом, КНБ сохраняет линию режущей кромки непрерывной, что позволяет получать лучшие значения шероховатости обработанной поверхности. Режимы резания при обработке закаленных материалов варьируется в довольно широких пределах. Это зависит от материала заготовки, условий обработки и требуемого качества поверхности. При обработке заготовки с твердостью 60HRc новыми марками кубического нитрида бора СВ7020 или СВ7050 скорость резания может достигать 200 м/мин. СВ7020 рекомендуется для финишной обработки с непрерывным резанием, а СВ7050 для чистовой обработки термообработанных материалов в неблагоприятных условиях, т.е. с ударами. Пластины из указанных марок выпускаются с тонким покрытием из нитрида титана. По мнению фирмы Sandvik Coromant данная мера позволяет значительно проще контролировать износ пластин. Фирмой также выпускаются пластины из аналогичных марок кубического нитрида бора CB20 и CB50, но без покрытия.

Для обработки закаленных сталей обычно используются различные сорта керамики. Фирма Sandvik Coromant в настоящее время выпускает все виды керамики и активно ведет разработки новых марок. Оксидная керамика СС 620 выпускается на основе оксида алюминия с небольшими добавками оксида циркония для повышения прочности. Она обладает самой высокой износостойкостью, однако может использоваться только хороших условиях из-за невысокой прочности и теплопроводности. Более универсальна смешанная керамика СС650 на основе оксида алюминия с добавками карбида кремния. Она обладает более высокой прочностью и хорошей теплопроводностью, что позволяет использовать ее даже при прерывистой обработке. Наибольшей прочностью обладает так называемая вискеризованная керамика СС670. В состав которой, также входит карбид кремния, но в виде длинных кристаллических волокон, которые пронизывают основной материал. Основная область применения этой марки керамики - обработка жаропрочных сплавов на никелевой основе, но вследствие высокой прочности она применяется и для обработки закаленной стали в неблагоприятных условиях. Режимы резания при использовании пластин из керамики также как и в случае в кубическим нитридом бора варьируются в широких пределах. Это объясняется в большей степени не различиями в свойствах инструментального материала, а разнообразием условий обработки, когда достигается достаточный нагрев в зоне резания и соответственно снижение усилий и износа. Обычно оптимальная скорость резания лежит в диапазоне 50-200 м/ мин. Причем не обязательно снижение скорости резания приводит к повышению стойкости, как в случае с твердым сплавом.

Новые возможности

Производительность при обработке закаленных материалов до сего момента достигалась за счет изменения конструкции инструмента и усовершенствования оборудования. Сейчас, новые инструментальные материалы позволяют работать с высокими скоростями, а геометрия режущей части достигать высоких значений рабочих подач. Кроме того, возможность обработки деталей за один установ при токарной или фрезерной обработке дает значительное снижение вспомогательного времени.

Величина подачи зависит от геометрии вершины режущего инструмента. Для инструментов с вершиной оформленной по радиусу, подача оказывается жестко связанной с требованием обеспечения заданного качества поверхности. Обычное значение подачи 0,05…0,2 мм/об. Но сейчас на рынке появились пластины, именуемые Wiper, которые позволяют увеличить её. При обработке такими пластинами значение подачи на практике может быть увеличено вдвое, причем качество поверхности не пострадает. Эффект Wiper возникает за счет модификации вершины пластины и создания специальной зачистной режущей кромки большого радиуса, которая является продолжением основного радиуса скругления. Зачистная режущая кромка обеспечивает при работе пластины минимальный вспомогательный угол в плане, что позволяет увеличивать рабочую подачу без потери качества обработанной поверхности. При увеличении подачи вдвое сокращается и путь резания, а соответственно и износ пластины. Революционность этого решения в том, что повышение производительности достигается одновременно с увеличением ресурса инструмента.

Пластины Wiper были впервые предложены фирмой Sandvik Coromant и сейчас находят все большее распространение. Так, для пластин из КНБ и керамики уже существует два варианта геометрии Wiper. Геометрия WH - основная геометрия позволяющая достигнуть максимальной производительности. Дополнительная геометрия WG создаёт низкие усилия резания и применяется для высокоскоростной обработки при высоких требованиях к качеству обработанной поверхности.

Пластины Wiper из КНБ и керамики выводят чистовую и финишную обработку закаленных материалов на новые уровни производительности.

Основные преимущества обработки закаленных материалов точением:

• высокая производительность за счет высоких скоростей резания и снижения вспомогательного времени;
• высокая гибкость применения;
• процесс проще, чем шлифование;
• нет прижогов;
• минимальные коробления заготовки;
• дополнительное повышение производительности за счет высоких значений подачи при использовании пластин Wiper;
• возможность унификации оборудования для полной обработки детали;
• безопасный и экологически чистый процесс обработки.

Твердые металлы и сплавы представляют собой износостойкие материалы, способные сохранять свои характеристики при повышенных температурах (900-1100 градусов). Они известны человеку более ста лет.

Общая характеристика

Твердые сплавы изготавливаются преимущественно на основе хрома, тантала, титана, вольфрама с добавлением различного количества никеля или кобальта. При производстве используются прочные карбиды, не подверженные разложению и растворению при высокой температуре. Твердый сплав может быть литым или спеченным. Карбиды отличаются хрупкостью. В этой связи для формирования твердого материала их зерна связывают подходящими металлами. В качестве последних выступают железо, кобальт, никель.

Литые соединения

Твердосплавный инструмент, полученный указанным способом, отличается высокой сопротивляемостью к истиранию материалом заготовки и сходящей стружки. Они не теряют своих характеристик при температуре нагрева от 750 до 1100 градусов. Установлено, что изделиями, произведенными путем плавки или литья с добавлением килограмма вольфрама, можно обработать в пять раз больше материала, чем предметами из быстрорежущей стали при таком же содержании W. Одним из недостатков таких соединений выступает их хрупкость. При уменьшении в составе доли кобальта она повышается. Скорость, которой обладают твердосплавные резцы, в 3-4 раза превышает показатели для стали.

Спеченные материалы

Они включают в себя металлоподобное соединение, связанное сплавом или металлом. В качестве основы, как правило, используется карбид (сложный в том числе) титана или вольфрама, а также тантала, карбонид титана. Реже при изготовлении применяют бориды. Матрицей для удержания зерен материала выступает связка - сплав или металл. Как правило, ею является кобальт. Это нейтральный по отношению к углероду элемент. Кобальт не образует собственные карбиды и не разрушает другие. Реже в связке используется никель и его соединение с молибденом.

Сравнительная характеристика

Спеченные материалы получают порошковым методом. Обработка твердых сплавов этого типа осуществляется только шлифованием либо физико-химическими способами (лазером, травлением в кислотах, ультразвуком и прочими). Литые изделия подвергаются закалке, отжигу, старению и так далее. Они предназначены для наплавки на инструмент. Порошковые материалы прикрепляют посредством пайки или механическим способом.

Классификация

Она зависит от содержания карбидов кобальта, тантала, вольфрама и титана. В этой связи рассматриваемые материалы разделяются на три группы. При обозначении марок соединений используют буквы:

1. Карбид вольфрама - "В".
2. Кобальт - "К".
3. Карбид титана - первая "Т".
4. Карбид тантала - вторая "Т".

Цифры, указанные после букв, обозначают приблизительное процентное содержание компонентов. Остальное в соединении (до 100 %) - карбид вольфрама. Указанные в конце буквы обозначают зернистость структуры: "В" - крупная, "М" - мелкая, "ОМ" - особо мелкая. Промышленность выпускает твердые сплавы марок ВК (вольфрамовые), ТТК (титанотанталовольфрамовые) и ТК (титановольфрамовые).

Отличительные признаки

Основные свойства твердых сплавов заключаются в их высокой прочности, износостойкости. При этом рассматриваемые материалы отличаются меньшей вязкостью и теплопроводностью в сравнении со сталью. Это необходимо учитывать при эксплуатации изделий. Выбирая твердый сплав, необходимо придерживаться ряда рекомендаций:

1. Вольфрамовые изделия в сравнении с титановольфрамовыми отличаются меньшей температурой свариваемости со сталью. В этой связи их используют для работы с чугуном, цветными металлами и неметаллическими материалами.
2. Для стали целесообразно использовать соединения группы ТК.
3. Твердый сплав марки ТТК обладает повышенной вязкостью и точностью. Его применяют для работы со стальными поковками, отливками в неблагоприятных условиях.
4. Чистовое и тонкое точение с небольшим сечением стружки обеспечивают борфрезы твердосплавные с мелкозернистой структурой и меньшим содержанием кобальта.
5. При неблагоприятных условиях и черновой работе с материалами с ударной нагрузкой целесообразно использовать соединения с высоким содержанием кобальта. При этом они должны обладать крупнозернистой структурой.
6. Чистовая и черновая обработка в процессе непрерывного резания осуществляются преимущественно соединениями со средним процентным содержанием кобальта.

Порошкообразные материалы

Они представлены двумя группами: содержащие и не содержащие вольфрам. В первом случае твердый сплав представлен в виде смеси технического порошкообразного W и ферровольфрама с науглероживающими компонентами. Изготавливался он еще в СССР. Называется этот твердый сплав "вокар". Процесс изготовления материала следующий:

1. Высокопроцентный ферровольфрам и технический порошкообразный W смешиваются с молотым коксом, сажей и прочими аналогичными компонентами.
2. Полученная масса замешивается на сахарной патоке или смоле в густую пасту.
3. Из смеси прессуются брикеты, которые слегка обжигаются. Это необходимо для удаления летучих соединений.
4. Брикеты после обжига размалываются и просеиваются.

Готовый материал, таким образом, имеет вид хрупких черных крупинок. Их величина - 1-3 мм. Отличительной особенностью таких материалов выступает их большой насыпной вес.

Сталинит

Этот твердый сплав не содержит вольфрама, что обуславливает его низкую стоимость. Он также был изобретен в советские годы и достаточно широко используется в промышленности. Как показала практика, несмотря на то что этот твердый сплав не содержит вольфрама, он обладает высокими механическими характеристиками, в большинстве случаев удовлетворяющими технические требования. Сталинит обладает значительными преимуществами перед вольфрамовыми материалами. В первую очередь это низкая (1300-1350 градусов) температура плавления. Вольфрамовые материалы подвергаются изменениям, только начиная с 2700 градусов. Температура плавления в 1300-1350 градусов значительно облегчает наплавку, повышает ее производительность. В качестве основы сталинита используется смесь дешевых порошкообразных ферросплавов, ферромарганца и феррохрома. Изготовление этого материала аналогично процессу производства вольфрамовых соединений. В сталините присутствует 16-20% хрома, 13-17% марганца.

Применение

В современной промышленности твердые сплавы получили широкое распространение. При этом материалы постоянно совершенствуются. Развитие этого производственного сектора осуществляется в двух направлениях. В первую очередь улучшаются составы сплавов, совершенствуется технология их изготовления. Кроме этого, внедряются инновационные способы нанесения соединений на изделия. Твердосплавный инструмент способствует существенному повышению производительности труда. Это обеспечивается высокой сопротивляемостью износа и теплостойкостью изделий. Подобные характеристики позволяют осуществлять работу на скоростях, в 3-5 раз превышающих показатели для стали. Такими достоинствами, например, обладают современные борфрезы. Твердосплавные материалы, изготавливаемые с применением передовых технологий (электрохимических и электрофизических способов), в том числе с использованием алмазных заготовок, являются сегодня одними из самых востребованных в промышленности.

Разработки

Сегодня в отечественной промышленности проводятся различные исследования, включающие глубокий анализ возможности повышения характеристик твердых сплавов. Главным образом они касаются гранулометрического и химического состава материалов.

В качестве довольно удачного примера за последние несколько лет можно привести соединения группы ТСН. Такие сплавы специально разработаны для узлов трения, работающих в агрессивной кислотной среде. Эта группа продолжает разработки новых соединений в группе ВН, предложенных Всероссийским НИИТС.

При проведении исследований было установлено, что при уменьшении размера зерна карбидной фазы значительно повышаются такие характеристики, как прочность и твердость сплавов. Использование технологий регулирования и плазменного восстановления гранулометрического состава на сегодняшний день позволяют выпускать материалы, величина фракции в которых менее микрона. Сплавы марки ТСН сегодня широко используются в производстве узлов нефтегазовых и химических насосов.

Российская промышленность

Одним из передовых предприятий, занятых в сфере производства и научных разработок, выступает Кировоградский завод твердых сплавов. КЗТС обладает обширным собственным опытом по внедрению инновационных технологий в производство. Это позволяет ему занимать первые позиции на промышленном рынке России. Предприятие специализируется на выпуске спеченных твердосплавных инструментов и изделий, металлических порошков. Выпуск налажен с января 1942 года. В конце 90-х годов на предприятии была проведена модернизация. В течение последних нескольких лет Кировоградский завод твердых сплавов направляет свою деятельность на выпуск усовершенствованных многогранных сменных пластин с износостойкими многослойными покрытиями. Предприятие занимается также разработкой новых безвольфрамовых составов.

Заключение

Положительный опыт многих промышленных предприятий позволяет предположить, что в ближайшее время безвольфрамовые сплавы не только станут еще более популярными, но и смогут заменить другие материалы, используемые для производства штамповой и режущей продукции, элементов машин, осуществляющих работу в тяжелых условиях, приспособлений и оснастки. Сегодня уже создана целая группа соединений на основе карбонитрида и карбида титана. Они применяются во многих производственных сферах. Широко распространены, в частности, твердые сплавы ТВ4, ЛЦК20, КТН16, ТН50, ТН20. К новым разработкам относят материалы групп тантала TaC, ниобия NbC, гафния HfC, титана TiC. Выпуск инструментов с применением этих сплавов позволяет заменить вольфрам относительно дешевыми добавками, расширив, таким образом, номенклатуру используемого сырья. Это, в свою очередь, обеспечивает выпуск изделий, обладающих специфическими свойствами, более высокими эксплуатационными характеристиками.