Тенденції розвитку і вдосконалення традиційних інструментів та технологій різання

Надежность режущего инструмента в значительной мере определяет и надежность функционирования технологических систем в целом и повышение эффективности производства, поскольку от выбора режущего инструмента зависят показатели технологического процесса. В связи с этим совершенствование такого инструмента по-прежнему является актуальной задачей, над которой работают многие фирмы, используя при этом как технические, так и организационные пути.

К техническим относятся:

- создание новых и совершенствование известных инструментальных материалов;

- наиболее полное использование возможностей износостойких покрытий для повышения режущих свойств инструмента;

- расширение областей применения высокопроизводительных материалов за счет менее производительных;

- расширение размерного ряда инструментов как в область больших, так и в область малых размеров;

- разработка конструкций многолезвийного инструмента с увеличенным числом одновременно работающих кромок.

К организационным мерам относятся:

- увеличение доли комбинированных инструментов;

- сокращение сроков разработки и запуска в производство специальных инструментов за счет расширения использования компьютерных систем;

- внедрение централизованных систем идентификации и управления инструментальным хозяйством на базе ЭВМ;

- сокращение сроков первичной и повторных поставок инструмента и организация сервиса у потребителя.

Одним из путей совершенствование существующего и разработки нового режущего инструмента является создание инструмента с многогранными неперетачиваемыми пластинами. При этом достигается:

- более высокая жесткость инструмента;

- жесткое и беззазорное закрепление пластин;

- высокая повторяемость установки и постоянство геометрии режущей кромки при смене и повороте пластин;

- простая и быстрая смена пластин;

- хорошее стружкообразование и хорошее стружколомание в широком диапазоне применения.

Такое новейшее решение в области режущего инструмента и оснастки при соответствующей системе классификации марок режущих материалов, геометрии пластин и рекомендаций по применению позволяет легко выбрать оптимальную пластину. При этом подбирается одно специфическое решение для каждой из 6 групп материалов, которое обеспечивает хороший отвод стружки при обработке. На рисунках 1и 2 представлены такие неперетачиваемые пластины и токарный инструмент для обработки резанием различных групп материалов.

а) б) в) г) д) е)

Рисунок 1. Пластины для обработки резанием различных материалов: а) – для нержавеющей стали; б) – для углеродистой стали; в) – для серого чугуна; г) – для цветных металлов; д) – для жаропрочных сплавов; е) – для закаленных материалов.

Рисунок 2. Сменный токарный инструмент фирмы KENNAMETAL.

Инструменты для обработки отверстий также постоянно пополняются новыми конструктивными решениями:

- цельные твердосплавные сверла;

- сверла со сменными пластинами;

- сборные сверла;

- комбинированный инструмент для сверления и снятия фаски;

- расточной вращающийся инструмент.

Современный фрезерный инструмент фирмы KENNAMETAL имеет широкую номенклатуру и обеспечивает высокую производительность благодаря новой конструкции, которая получила название «кукурузные фрезы».

По своей конструкции и области применения кукурузные фрезы являются переходными между торцевыми и концевыми фрезами. Особенностью этого инструмента является использование унифицированных сменных пластинок из твердых сплавов для обработки различных материалов. Различные рановидности таких фрез представлены на рисунке 3.

а) б) в)

г) д)

Рисунок 3. Кукурузные фрезы различных конструкций и применений: а, б) – фрезы с крутым конусом (диаметром 40 - 100 мм); в) – насадные кукурузные фрезы диаметром от 50 до 80 мм; г) – фрезы с цилиндрическими хвостовиками диаметром от 25 до 40 мм; д) – кукурузные фрезы со сменной концевой частью для обработки криволинейных поверхностей (при этом возможна обработка либо уступа, либо радиуса).

Сменными пластинами снабжены дисковые, прорезные и отрезные фрезы, а также фрезы для обработки штампов и прессформ.

Реализация технологии высокоскоростного резания предполагает решение многочисленных технологических задач. В наибольшей степени это касается режущих инструментов, так как уровень применяемых скоростей резания в современной металлообработке ограничивается свойствами инструментальных материалов и определяется способностью режущих инструментов противостоять изнашиванию и разрушению при повышенных температурах. Поэтому еще одним способом совершенствования режущего инструмента является новый ассортимент сменных многогранных пластин с четырехслойным износостойким покрытием, предназначеных для токарной обработки. Толщина покрытия составляет 8 – 10 мкм.

Нанесение покрытия на режущий инструмент производится различными способами, которые зависят от материала наносимого покрытия и вида режущего инструмента. Такие способы подразделяются на следующие:

1 - методы химического осаждения покрытий из газовой фазы:

- высоко- и среднетемпературные методы химического осаждения;
- химическое осаждение с плазменным сопровождением.

2 - методы физического осаждения покрытий:

- ионно-термическое испарение;
- электродуговое испарение;
- осаждение распылением;
- осаждение в сопровождении пучка ускоренных частиц.

3 - осаждение нанопокрытий.

Покрытие может наносится и на традиционные инструментальные стали, например, цианирование для повышения режущих свойств быстрорежущих сталей.

Совершенствование режущего инструмента (улучшение режущих свойств) может осуществляться термической обработкой и легированием рабочей поверхности режущего инструмента (химико-термическая обработка), деформационным воздействием на рабочие поверхности и комбинированной обработкой эти поверхностей.

Методы термической и химико-термической обработки включают:

- ионная химико-термическая обработка (ионное азотирование в тлеющем разряде, азотирование в вакуумно-дуговом разряде);
- ионная имплантация;
- лазерная обработка (закалка и легирование);
- электронно-лучевая термообработка;
- электроэрозионное легирование;
- электроискровое легирование;
- электроимпульсное легирование;
- криогенная обработка (обработка холодом);
- обработка токами высокой частоты (ТВЧ);
- обработка импульсным электрическим током.

Деформационное воздействие на рабочие поверхности режущих инструментом включает:
- дробеструйная обработка;
- ультразвуковая обработка;
- чеканка;
- виброударная обработка;
- статико-импульсная обработка;
- упрочнение в магнитном поле.

Комбинированная обработка рабочих поверхностей включает:

- ионное азотирование и нанесение покрытий;
- лазерная обработка и нанесение покрытий;
- лазерное легирование и азотирование;
- криогенно-эрозионная обработка.

Среди материалов, не требующих покрытий, наиболее близок к идеальному материалу поликристаллический алмаз. Являясь одним из наиболее твердых материалов, он в тоже время благодаря ультрамелкозернистой структуре обладает достаточной вязкостью и по этому пригоден для обработки (со скоростью v = 300 - 600 м/мин) цветных металлов и сплавов, а также композитов.

При аналогичной твердости КНБ (кубический нитрид бора) более хрупок и в большей степени подходит для «сухой обработки» материалов твердостью выше 50 HRC (при содержании в инструменте до 60 % КНБ) и чугунов в широком интервале скоростей (300 - 800 м/мин) с небольшими припусками и подачами.

Для высокоскоростной обработки подходит также нитридно-кремниевая керамика, которая тверже твердого сплава, но обладает большей хрупкостью и поэтому используется только для обработки чугунов с v = 500 - 1000 м/мин.

Положительный опыт внедрения и эксплуатации керамических режущих инструментов нового поколения при чистовом высокоскоростном точении деталей из разных конструкционных материалов показывает высокую технико-экономическую эффективность этих операций. Однако режущие инструменты из нитридно-кремниевой керамики при высокоскоростной обработке с повышенными подачами имеют недостаточную стабильность эксплуатационных показателей.

В процессе высокоскоростного резания керамические режущие нструменты находятся под воздействием высоких динамических термомеханических нагрузок, причем температурный фактор приобретает особое значение в связи с их крайне неудовлетворительной термостойкостью. Критический градиент термических напряжений в непосредственной близости от режущей кромки инструмента приводит к сколам керамического материала на контактных площадках режущих инструментов и последующему разрушению режущего инструмента.

Армирование нитридно-кремниевой керамики нитевидными кристаллами карбида кремния способствует повышению ее предела прочности при изгибе у_и до 900 МПа и коэффициента К_1с интенсивности напряжений в вершине трещины до 10 МПа^. м^1/2. Улучшение свойств композиционного материала происходит за счет суммирования положительных свойств матрицы и уникальных параметров нитевидных кристаллов, которые являются барьером при распространении трещин в керамических материалах.

Композиционную керамику инструментального назначения разрабатывали на основе системы Si₃N₄ - Y₂O₃ - Al₂O₃ (условное обозначение РКС 11). В процессе исследования выведена оптимизированная система Si₃N₄ - Y₂O₃ - Al₂O₃ - SiC_н.к. (условное обозначение РКС 33). Инструмент с многогранной неперетачиваемой пластиной из керамики состава Si₃N₄ - Y₂O₃ - Al₂O₃ - SiC_н.к. в максимальной степени удовлетворяют требованиям высокоскоростного резания.

Структуру керамики Si₃N₄ - Y₂O₃ - Al₂O₃ - SiC_н.к. формируют зерна нитрида кремния размером 0,5 - 2 мкм и межзеренная фаза из активаторов спекания и нитевидных кристаллов карбида кремния, не имеющих определенной пространственной ориентации в матрице. Свойства керамики РКС 11 и РКС 33

Представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Сравнительная характеристика керамики РКС 11 и 33.

Параметр	Значения параметра для керамики
РКС 11 Si3N4 - Y2O3 - Al2O3	РКС 33 Si3N4 - Y2O3 - Al2O3 - SiCн.к.
Плотность, г/см^3	3.18 - 3.22	3.2
Пористость, %	0.6 - 0.9	0.5 - 1.2
Твердость HRC
Предел прочности при изгибе (20°С/1200°С), МПа	720/480	880/600
Коэффициент К1с, МПа ^.м^1/2	6.4 - 7.2	8.3 - 9.3
Число циклов «нагрев до 1200°С–охлаждение 400°С» до разрушения образцов

Из данной таблицы очевидно, что керамика РКС 33 обладает более эффективным сочетанием свойств.

Дата добавления: 2014-01-04