3549
.pdfэтих условиях инструменты, оснащенные пластинами из керамики, существенно превосходят по работоспособности твердосплавные инструменты.
Применение керамики при обработке с повышенными сечениями среза или при прерывистом резании резко снижает ее эффективность вследствие высокой вероятности (более 50%) внезапного отказа из-за хрупкого разрушения в виде выкрашиваний и сколов. Поэтому в последнее время в РФ и ряде зарубежных стран ведутся активные работы по созданию новых или усовершенствованию известных марок керамики с целью повышения их прочностных характеристик. К таким разработкам относится керамика, армированная «нитевидными кристаллами» SiC или легированная TiB2, ZrO2, и другими компонентами. Кроме того, наряду с совершенствованием составов керамики, для повышения ее эксплуатационных характеристик в промышленности используют более современные технологии получения керамических пластин - горячее изостатическое прессование, золь-гель синтез и др., а также различные способы нанесения износостойких покрытий. [2]
В табл. 14 представлены физико-механические характеристики и основные марки отечественной минералокерамики, выпускаемой ФГУП ВНИИТС, а в табл. 15 марки и области применения керамики, выпускаемой зарубежными производителями — Sandvik Coromant и Kennametal.
1.5.Сверхтвердые материалы (СТМ)
Ксверхтвердым синтетическим поликристаллическим инструментальным материалам (ПСТМ) относят синтетические и композиционные материалы на основе кубического нитрида бора (КНБ) и природные алмазы, (А). В основе технологии изготовления поликристаллов лежат два различных процесса: фазовый переход вещества из одного состояния в другое (синтез) или спекание мелких частиц заранее синтезированного порошка ПСТМ. В нашей стране
40
первым способом получают поликристаллический нитрид бора (ПКНБ), а также поликристаллический алмаз (ПКА).
|
|
|
|
|
Таблица 14 |
|
|
Марки и физико-механические характеристики |
|||||
|
керамики отечественного производства [2] |
|||||
Марка |
Основа |
Плотность, |
Твердость |
Предел |
Область |
|
|
|
г/смЗ |
HRA |
прочности, |
применения |
|
|
|
|
|
σизг, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Высокоскорос |
|
BO- |
Al2O3 |
4.16 |
92 |
600 |
тная токарная |
|
100 |
|
|
|
|
обработка |
|
(B1) |
|
|
|
|
чугунов и |
|
|
|
|
|
|
сталей в |
|
|
|
|
|
|
состоянии |
|
|
|
|
|
|
поставки без |
|
|
|
|
|
|
применения |
|
|
|
|
|
|
СОЖ |
|
|
|
|
|
|
Чистовая и |
|
BOK- |
Al2O3 |
4.20…4.30 |
93 |
650 |
получистовая |
|
обработка |
||||||
200 |
+ TiC |
|
|
|
||
|
|
|
резанием |
|||
(B2) |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
углеродистых |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
легированных |
|
|
|
|
|
|
сталей, серых |
|
|
|
|
|
|
и ковких |
|
|
|
|
|
|
чугунов, |
|
|
|
|
|
|
графита и |
|
|
|
|
|
|
других |
|
|
|
|
|
|
материалов без |
|
|
|
|
|
|
npименения |
|
|
|
|
|
|
СОЖ или при |
|
|
|
|
|
|
обильном |
|
|
|
|
|
|
охлаждении |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
41 |
|
|
|
Продолжение табл. 14
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
Al2O3 |
4.25 |
93 |
950 |
Чистовая |
|
|
|
|
и |
|
|
|
+ TiC |
|
|
|
получистовая |
токарная |
|||||
|
|
|
|
|
|
обработка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
углеродистых, |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
легированных, |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
закаленных |
|
сталей |
и |
|||
300-BOKC |
(B3) |
|
|
|
|
чугунов; |
|
точение |
с |
|||
|
|
|
|
ударами, |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
возникающими |
|
от |
||||
|
|
|
|
|
|
абразивных включений; |
||||||
|
|
|
|
|
|
получистовое |
|
|
и |
|||
|
|
|
|
|
|
чистовое |
|
точение |
с |
|||
|
|
|
|
|
|
неравномерными |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
припусками; |
нарезание |
|||||
|
|
|
|
|
|
резьб |
и |
|
канавок |
в |
||
|
|
|
|
|
|
закаленных сталях |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Si2N4 |
3.45 |
93.5 |
750 |
Обработка |
всех |
видов |
||||
|
|
+ |
|
|
|
чугунов |
с |
большими |
||||
|
|
оксиды |
|
|
|
подачами и скоростями |
||||||
|
|
|
|
|
|
резания, |
|
|
черновое, |
|||
200-HИ |
(T2) |
|
|
|
|
получистовое |
|
|
и |
|||
|
|
|
|
чистовое |
|
|
точение, |
|||||
|
|
|
|
|
|
фрезерование, |
в |
том |
||||
TB |
|
|
|
|
|
числе |
с |
применением |
||||
|
|
|
|
|
СОЖ, |
|
|
а |
|
также |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
обработка |
|
сплавов |
на |
|||
|
|
|
|
|
|
основе |
|
|
никеля |
и |
||
|
|
|
|
|
|
кобальта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Al2O3 |
3.70…3.80 |
94 |
850 |
Обработка |
|
никелевых |
||||
-HИ400 |
(T4) |
+ SiC |
|
|
|
сплавов, |
|
закаленных |
||||
|
|
|
|
высоколегировaнныx и |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
TB |
|
|
|
|
|
быстрорежущих |
сталей |
|||||
|
|
|
|
|
и чугунов |
твердостью |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
более 250 НВ |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
42 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 15 Области применения керамики зарубежного
производства
Марка |
Группа |
Область применения |
|
применения |
|
|
|
Sandvik Coromant |
СС620 |
К01 |
Высокоскоростная обработка сталей и |
|
|
чугунов |
СС650 |
К01; М10 |
Чистовая обработка чугунов, закаленных |
|
|
сталей и жаростойких сплавов |
СС670 |
К10 |
Обработка жаростойких сплавов и |
|
М10-М25 |
материалов с высокой твердостью |
СС680 |
К10 |
Прерывистое резание серого чугуна в |
|
|
тяжелых условиях, обработка жаростойких |
|
|
материалов |
СС6090 |
К10 |
Черновая обработка в благоприятных |
|
|
условиях, высокоскоростная получистовая и |
|
|
чистовая обработка серого чугуна |
GC1690 |
К10 |
Черновая, получистовая и чистовая |
|
|
обработка чугунов |
|
|
Kennametal |
АС5 |
Р05; К05 |
Обработка чугунов и сталей |
КY1615 |
Р10; К10 |
Черновая и чистовая обработка твердых |
|
|
материалов, валов из твердого чугуна, |
|
|
чистовая обработка серых чугунов |
КY4400 |
Р05; К01 |
Чистовая обработка твердых материалов до |
|
|
65HRC, чистовая обработка серых чугунов |
КY4300 |
М10; К10 |
Обработка жаропрочных сплавов, обработка |
|
|
высокопрочных чугунов |
КY2100 |
М10 |
Обработка (черновая и чистовая) |
|
|
жаропрочных сплавов |
КY3400 |
К10 |
Высокоскоростная обработка чугунов с |
|
|
шаровидным графитом, особенно в условиях |
|
|
тяжелого прерывистого резания |
КY3500 |
Кl5 |
Высокоскоростная обработка серого чугуна, |
|
|
возможна обработка по корке при |
|
|
прерывистом резании |
43
За рубежом изготовителями ПСТМ по технологии спекания являются три крупнейшие фирмы - «General Electric», «De Beers» и «Sumitomo Electric».
Прежде чем синтезированные спеки ПКНБ и ПКА могут быть использованы в качестве металлорежущих инструментов, они должны быть разрезаны электроэрозионным или лазерным способом на многогранные пластины стандартных размеров или фрагменты произвольной формы и отшлифованы.
Фрагменты запаивают либо в вершины корпусов стандартных твердосплавных пластин, либо в напайные инструменты.
Таблица 16 Усредненные показатели физико-механических
свойств ПСТМ
Свойства |
|
ПСТМ |
|
|
|
|
|
||
|
на основе нитрида бора |
на основе алмаза |
||
|
|
|
|
|
Твердость по Виккерсу |
40 .. |
.45 |
70 ... |
100 |
НV, ГПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Модуль упругости Е, ГПа |
700 ... |
800 |
800 ... |
900 |
|
|
|
|
|
Предел прочности |
600 ... |
800 |
800 ... |
1100 |
при изгибе σизг, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент теплопро- |
5,0 ... |
10,0 |
7,0 ... |
15,0 |
водности λ, Вт/(м · К) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теплостойкость, ºС |
1100 ... |
1500 |
700 ... |
800 |
|
|
|
|
|
ПСТМ – принципиально новые, как по технологии изготовления, так и по условиям эксплуатации инструментальные материалы. Ими можно обрабатывать изделия при скоростях резания на порядок выше допускаемых
44
при использовании твердосплавных инструментов и даже инструментов из керамики.
ПКА имеет твердость 70...100 ГПа, которая до 5 раз превышает соответствующий показатель для твердых сплавов, обладает хорошей теплопроводностью, большим модулем упругости и низким коэффициентом трения к цветным металлам, но, как и все высокотвердые материалы, обладает достаточно низкими прочностными характеристиками(табл. 16).
Теплостойкость ПКА составляет 700...800 °С (при более высоких температурах алмаз сгорает). Инструменты, оснащенные режущими вставками из ПКА, применяют в основном при тонком точении цветных металлов и сплавов, не содержащих углерод и железо.
По твердости ПКНБ несколько уступает алмазу (см. табл. 16), но имеет более высокую теплостойкость, доходящую до 1500°С, и практически инертен по отношению к углероду и железу. Как и алмаз, ПКНБ имеет повышенную хрупкость и низкую прочность на изгиб. Инструменты, оснащенные режущими вставками из ПКНБ, применяют главным образом для обработки металлов, содержащих углерод и железо.
Практика показывает, что во многих случаях точение инструментами из ПСТМ намного эффективнее процесса шлифования, так как такие инструменты обеспечивают бесприжоговую обработку при работе на высоких скоростях резания и низкую шероховатость обработанной поверхности. В табл. 17 представлены сведения о физико – механических свойствах различных марок сверхтвердых материалов, а в табл. 18 и 19 – марки ведущих мировых производителей и области их применения [2]. Как видно из представленных данных, некоторые марки современных сверхтвердых материалов можно использовать даже при обработке с ударно – циклическими нагрузками и переменным сечением среза.
45
Таблица 17 Физико – механические свойства некоторых марок
сверхтвердых материалов [2]
|
|
|
Коэффи |
Модуль |
Плот- |
|
|
Предел |
циент |
упругост |
ность |
Марка |
Твердость, |
прочности |
трещин |
и |
ρ, |
материала |
ГПа |
σизг, МПа |
остойко |
Е, ГПа |
г/см3 |
|
|
|
сти |
|
|
|
|
|
K1с , |
|
|
|
|
|
МПа·м |
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на основе нитрида бора |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Композит 01 |
35 ... 37 |
- |
3,9 ...4,2 |
840 |
3,4 |
(эльбор-Р) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Композит 02 |
- |
600 |
- |
720 |
6,5 |
(бельбор) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Композит 05 |
19 |
470 |
4,6 ... |
620 |
4,3 |
|
|
|
6,7 |
|
|
Композит 10 |
30 ... 35 |
1000 ... 1200 |
3,8 .. |
715 |
3,8 |
(гексанит-Р) |
. |
|
.4,9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Боразон |
45 |
- |
- |
- |
3,48 |
|
|
|
|
|
|
Амборит |
40 |
570 |
6,3 |
680 |
- |
|
|
|
|
|
|
Вюрцин |
30 .. .40 |
800 |
13,0 |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
|
на основе алмаза |
|
|
|
|
АСБ |
60 ... 100 |
500 ... 800 |
- |
- |
3,8 |
|
|
|
|
|
|
АСПК |
90 ... 140 |
500 ... 800 |
- |
- |
4,0 |
|
|
|
|
|
|
СВБН |
70 ... 100 |
- |
- |
- |
3,4 |
|
|
|
|
|
|
Мегадаймонд |
75 |
- |
- |
- |
3,2 |
|
|
|
|
|
|
Карбонит |
39 .. .44 |
- |
- |
- |
3,3 |
|
|
|
|
|
|
Компакс |
70 ... 80 |
- |
- |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
В целом можно отметить, что основная область эффективного применения лезвийных инструментов из ПСТМ –
46
автоматизированное производство на базе станков с ЧПУ, многоцелевых станков, автоматических линий и специальных высокоскоростных станков. При этом выбор конкретной скорости резания определяется величиной снимаемого припуска, возможностями оборудования, наличием ударных нагрузок в процессе резания и многими другими факторами.
При относительно низких скоростях резания и, как следствие, низких температурах у ПСТМ преобладают адгезионно – усталостный и абразивный виды изнашивания, а при высоких скоростях резания может протекать диффузионный износ. При неблагоприятных условия резания могут наблюдаться выкрашивания мелких частиц режущих кромок, а также сколы на передних и задних поверхностях. Например, для точения с ударами и фрезерования закаленных быстрорежущих сталей и сталей с высоким содержанием хрома применять инструменты из ПСТМ вообще не рекомендуется [2].
Расчеты показывают, что необходимым условием эффективного внедрения инструментов из ПСТМ на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах взамен твердосплавных резцов и фрез делается увеличение интенсивности съема припуска (объема металла, срезаемого в единицу времени) в 1,5...2,5 раза.
Таблица 18 Области применения сверхтвердых материалов на
основе кубического нитрида бора, выпускаемых зарубежными производителями
Марка |
Область применения |
1 |
2 |
|
Амборит “De Beers” |
|
|
АМВ 90 |
Получистовая обработка закаленных и легированных |
|
сталей, чугунов |
DBA 80 |
Обработка закаленных сталей с твердостью 45…70 HRC и |
|
перлитных чугунов |
|
47 |
|
|
Продолжение табл. 18 |
|
|
|
1 |
2 |
|
DBC 50 |
|
Чистовая обработка закаленных и легированных сталей, |
|
|
чугунов |
DBN 45 |
|
Суперчистовая (ультрапрецизионная) обработка; обработка |
|
|
в условиях прерывистого резания |
DBW 85 |
|
Обработка закаленных сталей с твердостью выше 45…70 |
|
|
HRC, серых чугунов (перлитного, шаровидного), сплавов |
|
|
на никелевой основе, спеченных твердых сплавов (с |
|
|
содержанием кобальта > 17%) |
|
|
Боразон “General Electric” |
BZN-6000 |
|
Обработка серых перлитных чугунов, порошковых сталей |
|
|
и сплавов, точение поверхностно упрочненных сплавов |
BZN-8100 |
|
Высокоскоростная финишная обработка закаленных |
|
|
сталей с твердостью выше 45 HRC; непрерывная и |
|
|
прерывистая обработка закаленных сталей |
BZN-7000S |
|
Точение и фрезерование серых чугунов; продольное |
|
|
точение закаленных сталей; обработка· порошковых |
|
|
сталей и сплавов; точение поверхностно упрочненных |
|
|
сплавов |
BZN-HTC2000 |
|
Непрерывное точение закаленных сталей с твердостью |
|
|
выше 45 HRC |
|
|
Сумиборон |
|
|
“Sumitomo Electric” |
BN100 |
|
Обработка сталей, серых и отбеленных чугунов, сплавов |
|
|
на основе никеля и кобальта с повышенными физико- |
|
|
механическими свойствами |
BN200 |
|
Непрерывное и прерывистое резание закаленных и |
|
|
легированных сталей и чугунов |
BN300 |
|
Точение с ударами закаленных сталей; фрезерование |
|
|
композиционных материалов |
BN500 |
|
Обработка ковких чугунов с шаровидным графитом |
BNC80 |
|
Чистовое точение (Ra<I,25 мкм) закаленных сталей с |
(с покрытием) |
твердостью выше 62 HRC, в том числе без использования |
|
|
|
СОЖ |
BNC200 |
|
Чистовая обработка деталей из закаленных сталей, |
(с покрытием) |
|
имеющих непрерывные и прерывистые поверхности |
BNS800 |
|
Обработка закаленных сталей с твердостью выше 45 HRC |
(двухслойный) |
|
в условиях непрерывного резания |
|
48 |
|
|
Продолжение табл. 18 |
|
|
1 |
2 |
BNX10 |
Высокоскоростное точение закаленных сталей с |
|
mepдостыо 62 ... 64 НRC |
|
“Kennametal” |
KD050 |
Чистовая обработка закаленных сталей с твердостью до 65 |
|
HRC |
KD081 |
Обработка закаленных сталей с твердостью 50 ... 65 HRC в |
|
условиях |
|
прерывистого резания и изменяющейся глубины резания |
|
|
KD120 |
Высокопроизводительная обработка перлитных серых |
|
чугунов; обработка порошковых сталей и сплавов, |
|
труднообрабатываемых и твердых материалов в |
|
неблагоприятных условиях резания |
|
|
КВ5625 |
Чистовая обработка закаленных сталей в условиях |
(с |
прерывистого резания |
покрытием) |
|
|
|
KD230 |
Обработка твердых чугунов и сплавов на основе никеля; |
(с |
высокоскоростная обработка перлитных серых чугунов |
покрытием) |
|
|
|
KB9640 |
Высокопроизводительная чистовая и черновая обработка |
(с |
отбеленных и серых чугунов, закаленных сталей и |
покрытием) |
поверхностно упрочненных сплавов |
|
|
|
“Mitsubishi Carbide” |
|
|
МВ810 |
Высокоскоростная чистовая обработка закаленных сталей |
|
|
МВ820 |
Чистовая и получистовая обработка закаленных сталей |
|
|
МВ825 |
Чистовая и получистовая обработка закаленных сталей в |
|
условиях прерывистого резания |
|
|
|
49 |