Современные материалы и инструменты

Почему материал режущей кромки определяет всё

Современный инструмент — это не просто «лезвие». Это система. Геометрия, материал рабочей части, покрытие — всё взаимосвязано. Ошибка в одном звене = провал во всём цикле.

Но если выделять главное? Основополагающим в системе остаётся материал рабочей части. Почему? Потому что именно он определяет, выдержит ли резец нагрузку, не «поплывёт» ли кромка при нагреве, сколько деталей он отработает до переточки.

Заметьте: требования ужесточаются. Сокращение цикла обработки, улучшение качества поверхности, рост ресурса — всё это давит на инструментальные материалы. И ответ должен быть не «как-нибудь», а «на уровне».

Три кита эффективного инструмента: твёрдость, прочность, стабильность

Любой инструмент при достаточной твёрдости и способности сохранять её при нагреве должен обладать ещё и прочностью на изгиб, сжатие, срез. Просто? Нет. Но необходимо.

Инструментальные стали, например, требуют не только хорошей обрабатываемости, свариваемости и шлифуемости. Им нужна устойчивость к перегреву, обезуглероживанию, окислению. Химическая и элементная стабильность. Минимальная деформация при термообработке. И — несклонность к трещинообразованию.

Почему это важно? Потому что технологические свойства сталей влияют на надёжность инструментов. Особенно критично это для автоматических линий, где простой — это не «минутка», а потеря денег.

А теперь — важный момент. Основные свойства инструментальных материалов: твёрдость, низкая интенсивность износа, высокая стойкость при одновременном обеспечении качества, стабильность износа (низкая вариация стойкости). Четыре пункта. Четыре критерия выбора.

Основные группы инструментальных материалов

Что предлагает рынок? Пять базовых групп:

• ✓ Инструментальные стали: быстрорежущие (ГОСТ 19265-90), легированные (ГОСТ 5950-73), углеродистые (ГОСТ 1435-74), дисперсионно-твердеющие сплавы
• ✓ Твердые спечёные сплавы (ГОСТ 3882-86)
• ✓ Минералокерамика (керметы)
• ✓ Алмазы (природные и искусственные)
• ✓ Сверхтвёрдые синтетические материалы (СТМ) — композиты

Выбор? Зависит от задачи. Но тренд очевиден: движение в сторону более твёрдых, более износостойких, более «умных» материалов.

Что ждут от современных материалов: три вектора развития

К современным инструментальным материалам предъявляются конкретные требования:

1. → Повышение производительности обработки
2. → Снижение эксплуатационных затрат
3. → Улучшение эксплуатационных свойств: рост ресурса, полируемости, твёрдости, стойкости к абразивному износу (в т.ч. за счёт низкого коэффициента трения)

Логика простая: быстрее + дешевле + надёжнее = конкурентное преимущество.

Современные тренды: от мелкозернистых структур до интеллектуальных сплавов

В соответствии с этими требованиями инструментальные материалы совершенствуются по нескольким направлениям. И это не теория. Это практика, которая уже работает.

Мелкозернистые твёрдые сплавы для чистовой и высокоскоростной обработки

Создание мелкозернистых твёрдых сплавов — для чистовой обработки, в том числе для высокоскоростной с минимальным радиусом скругления режущей кромки. Зачем? Потому что чем острее кромка — тем чище рез. А чем чище рез — тем меньше доводки.

Твёрдые сплавы для работы с ударом

Создание твёрдых сплавов, позволяющих работать с ударом в условиях прерывистого резания. Почему это важно? Потому что не все детали — «идеальный цилиндр». Иногда нужно резать «с заходом», «с выходом», «с перепадом». И инструмент должен выдержать.

Порошковая металлургия для быстрорежущих сталей

Улучшение современных быстрорежущих сталей методами порошковой металлургии — в основном для фасонной обработки и работы в тяжёлых условиях. Результат? Более однородная структура, меньше дефектов, выше ресурс.

Очистка переплавкой: для ответственных деталей

Для повышения однородности и физических свойств инструментальных сталей их подвергают очистке переплавкой: электродуговой вакуумной, электронно-лучевой, электрошлаковой. Это — для рабочих частей штампов, пресс-форм и т.п.

Основной принцип? Сохранение имеющихся свойств (коррозионная стойкость, механические характеристики) при одновременном улучшении обрабатываемости и росте эксплуатационных свойств. Баланс, а не компромисс.

Неметаллические материалы для высокоскоростной обработки

Широкое применение неметаллических инструментальных материалов: керамика, нитрид бора, поликристаллические алмазы. Почему? Потому что они позволяют резать там, где стали и сплавы уже «сдаются».

Интеллектуализация: материалы с «памятью» структуры

Интеллектуализация инструментальных материалов — твёрдые сплавы с функционально переменной микроструктурой. Возникающие напряжения могут затухать из-за последовательных переходов в микроструктуре. Звучит сложно? Да. Но работает — эффективно.

Лезвийный инструмент вместо шлифования

Применение лезвийного инструмента для замены обработки шлифованием. Зачем? Потому что точение — быстрее, дешевле, гибче. А если материал позволяет — почему бы и нет?

Высокоскоростная обработка: керамика против твердых сплавов

Все эти достижения связаны с развитием современных инструментов и оснастки. В числе основных тенденций — использование материалов на основе кубического нитрида бора (КНБ или CBN) и поликристаллических алмазов.

Но не теряет приоритета и широкая номенклатура инструментальных систем для твердых сплавов. Почему? Потому что усовершенствованные технологии спекания и нанесения одно- и многослойных покрытий, оптимизация параметров (включая макро- и микрогеометрию) позволяют применять более вязкую подложку. Результат? Надёжность обработки растёт, стоимость — падает.

Обработка закаленных сталей: когда шлифование уходит на второй план

Ещё одна очевидная тенденция — расширение обработки закаленных сталей и других высокопрочных материалов лезвийными режущими инструментами.

Почему это актуально? Потому что качественных сталей — много. А термообработка требует дорогостоящих вакуумных печей, технологий отпуска, квалифицированного персонала. Поэтому широкое распространение получили стали с предварительной термообработкой (закалка + высокий отпуск).

Поставщики таких сталей? ООО «Шмольц + Бикенбах», ООО «Белер Уддехольм», ООО «Оснастка». Применение инструментов из КНБ и твердых сплавов с покрытиями позволяет в ряде случаев исключить шлифование при обработке предварительно закаленных сталей. Удешевление? Безусловно.

Обработка заготовок с профилем, близким к готовой детали

Большое значение имеет внедрение технологии обработки заготовок с профилем, близким к профилю готовой детали. Уменьшение объёма снимаемой стружки = меньше расход в материалах. Меньше проходов = дешевле обработка.

А ещё — проще управлять технологической наследственностью заготовок. Это не мелочь. Это контроль качества на каждом этапе.

Обработка без СОЖ: экономия + экология

Преимущества обработки без Сож или с её минимальным количеством — в экономике и экологии. Пример: в Германии ежегодно потребляется около 750 тысяч тонн СОЖ. Стоимость подачи, удаления и обезвреживания — по некоторым оценкам, превышает 1 млрд. евро.

Цифра впечатляет? Ещё бы. Вот почему «сухая» обработка — не тренд, а необходимость.

Высокоскоростная обработка в мелкосерийном и единичном производстве

Всё шире проникает в мелкосерийное и единичное производство высокоскоростная обработка. Определение скорости — разное для разных методов и материалов. Но причина роста популярности одна: высокое качество получаемой поверхности.

Давно известно: значительного снижения стоимости можно добиться, выполняя различные операции одним стандартным инструментом за несколько проходов. Но на практике таких примеров мало — из-за специальных требований к конструкции инструмента для каждого вида обработки.

Пример: конструкции фрез для чернового и чистового фрезерования пока несовершенны. В том числе — из-за качества инструментальных материалов. Но многоступенчатые инструменты оптимизируют время обработки: замена нескольких инструментов одним = сокращение времени смены, настройки, обработки.

Последняя тенденция стала особенно заметной благодаря росту периода стойкости инструментов из порошковой быстрорежущей стали и специальных твердых сплавов. Время до переточки выросло. Ресурс — тоже.

Точность крепления: требования к зажимным устройствам

Всё более высокие требования к точности крепления предъявляют к зажимным устройствам и устройствам для быстрой смены штампов и пресс-форм. Почему? Потому что они должны обеспечивать высокую стойкость инструмента при исключении биения и дисбаланса. А ещё — высокое качество поверхности деталей.

Просто? Нет. Но необходимо.

Параметры высокоскоростной обработки: цифры, которые говорят сами за себя

Высокоскоростная обработка резанием характеризуется на порядок более высокими скоростями резания по сравнению с традиционными: до 1200 м/мин для чёрных металлов и 4000–6000 м/мин для цветных.

Как это возможно? Благодаря применению прогрессивных материалов: керметов, кубического нитрида бора, поликристаллического алмаза, мелкозернистых твердых сплавов.

Керамика против твердых сплавов: сравнение скоростей резания

На сегодняшний день керамические материалы существенно превосходят быстрорежущие стали и твердые сплавы. Более высокие свойства керамики дают возможность увеличить скорость обработки стали и чугуна.

Таблица 1 Сравнение скоростей резания керамикой и твердым сплавом

Режущие сменные пластины из сверхтвёрдых композитов регламентирует ГОСТ 28762–86. Но есть нюанс: недостаток керамических материалов — низкая прочность при изгибе (0,3–0,5 ГПа), повышенная хрупкость, низкая теплопроводность.

Зарубежная промышленность предлагает образцы керамики, значительно превосходящие современные отечественные. И это — факт, с которым нужно считаться.

Примеры зарубежной керамики: что работает на практике

Германская фирма CeramTec изготовляет смешанную Al₂O₃+TiC керамику с регулируемой мелкозернистой субмикроструктурой. Применима для точения, растачивания и фрезерования высокопрочных чугунов и сталей, включая закаленные HRC 54–64, без применения СОЖ.

Для тонкого точения закаленных сталей, полностью заменяющего шлифование, в наибольшей степени подходит керамика SH2 той же фирмы. Субмикроструктура обеспечивает прочные режущие кромки и рост стойкости почти на 50%.

Керамика NC260 (Sumitomo Electric, Япония), применяемая без покрытий, наиболее эффективна при скоростной (непрерывной и прерывистой) обработке чугуна — как всухую, так и с СОЖ. Высокая ударная вязкость = рост стойкости = возможность повысить скорость резания: с 250 до 600 м/мин при точении стали, с 150 до 400 м/мин при фрезеровании.

Ещё более высокие качества достигаются при нанесении покрытий из Al₂O₃ и TiN. Пластины из керамики Si₃N₄ (Walter, Германия) обладают высокой термической стойкостью и прочностью, предназначены для чернового фрезерования серого чугуна на тяжёлых режимах со скоростью до 1000 м/мин. Для чистовой обработки закаленных материалов и чугуна та же фирма разработала пластины из КТБ.

Керамика KY4300 (Kennametal Hertel), армированная нитевидными карбидными кристаллами, предназначена для обработки с повышенными скоростями жаропрочных сплавов: Waspalloy, Hastelloy, Inconel. При обработке Inconel 718 скорость достигает 100–250 м/мин (против 50 м/мин для твердосплавных инструментов с покрытиями). Максимальная скорость: точение — 400 м/мин, фрезерование — 950 м/мин.

Но есть важное условие: керамический инструмент требует использования оборудования и приспособлений высокой жёсткости, исключающих вибрацию. Без этого — никуда.

Быстрорежущие стали сегодня: нишевое, но важное применение

Быстрорежущая сталь постепенно вытесняется другими режущими материалами. Но несколько компаний продолжают изготавливать инструменты из неё. Например, Weldon Tool Company (Великобритания) предлагает торцевые фрезы с покрытиями TiC и без них.

Укороченные фрезы диаметром 6–25 мм — для черновой обработки сплавов средней твёрдости врезным (глубина прохода до 26 мм) и обычным фрезерованием. Стойкость фрез из стали с 8% Co повышена за счёт стружколомов специальной формы.

На сегодняшний день быстрорежущие стали в основном применяются для комбинированного, специального и фасонного инструмента. Для стандартного инструмента давно применяется твердый сплав и другие современные материалы.

Осевой инструмент из твердого сплава: эволюция вместо революции

Улучшение качества инструментальных материалов позволило получать инструменты из твердого сплава, изготавливаемые ранее из инструментальных сталей. Прежде всего — это метчики и сверла.

А ещё — для осевого инструмента применяются сплавы с переменными свойствами: твердый сплав с повышенной вязкостью — вдоль осевой линии, более износостойкий и жаропрочный — формирует наружную часть. Гибкость конструкции = гибкость применения.

Кубический нитрид бора: когда точение заменяет шлифование

Кубический нитрид бора (поликристаллический нитрид бора) получают спеканием микропорошков нитрида бора (гексагонального, кубического) при высоких температурах и давлении или прямым синтезом из гексагонального нитрида бора.

В зависимости от технологии получения КНБ выпускают под названиями: эльбор, эльбор-Р, боразон. Разные имена — один класс материалов.

Кубический нитрид бора близок по свойствам природному алмазу. И это позволяет эффективно использовать его для обработки различных труднообрабатываемых сталей, в том числе цементованных и закаленных.

Что это даёт на практике? Высокоскоростное резание закаленных сталей может заменить шлифование. Оптимизация времени обработки + низкая шероховатость = двойная выгода.

А ещё — из этого материала изготавливают наконечники для измерения твёрдости сверхтвёрдых сталей. Твёрдость 94–96 HRA, прочность, износостойкость, теплопроводность, стабильность физических свойств и структуры при повышении температуры до 1000 °С.

Доступность + хорошие эксплуатационные свойства = успешная конкуренция с твердыми сплавами. Не теория. Практика.

Как выбрать материал под конкретную задачу

В последние годы наблюдается обилие инструментальных материалов и конструкций режущего инструмента. Каждый — для своих условий обработки и режимов.

Но это же создаёт проблему: затрудняется правильный выбор материала или конструкции для инструментов различных типов, условий изготовления и эксплуатации.

Определение оптимального материала режущей рабочей части, её геометрии требует:

• ★ Высокой квалификации технолога или конструктора
• ★ Или наличия специализированной автоматизированной системы
• ★ Или привлечения специалистов соответствующих фирм

Что делать? Одно из решений — применение перспективных технологических процессов штамповки, литья и резания с использованием новых методов выбора инструментальных материалов и покрытий.

А ещё — разработка на их основе перспективных конструктивных решений для режущего режущего инструмента и оснастки. Не ждать. Действовать.

Что в сухом остатке? Выбор инструментального материала — это не «взять самый твёрдый». Это баланс между твёрдостью, вязкостью, термостойкостью, стоимостью и условиями эксплуатации.

Заметьте: прогресс идёт не по пути «один материал для всего». А по пути «правильный материал для правильной задачи». И это — единственный путь к эффективности.

А в металлообработке, где каждый процент роста производительности — это деньги, именно такой подход даёт результат. Не удача. А расчёт.

К. Л. Разумов-Раздолов

ООО «Русэлпром Оснастка»

email: rrkl@ruselprom.ru