1. Osnovna svojstva koja alatni materijali treba da imaju
Odabir materijala za alat ima veliki utjecaj na vijek trajanja alata, efikasnost obrade, kvalitet obrade i cijenu obrade. Prilikom rezanja alati moraju izdržati visok pritisak, visoku temperaturu, trenje, udarce i vibracije. Prema tome, alatni materijali trebaju imati sljedeća osnovna svojstva:
(1) Tvrdoća i otpornost na habanje. Tvrdoća materijala alata mora biti veća od tvrdoće materijala izratka, obično iznad 60HRC. Što je veća tvrdoća materijala alata, to je bolja otpornost na habanje.
(2) Snaga i žilavost. Materijal alata treba da ima visoku čvrstoću i žilavost da izdrži silu rezanja, udarce i vibracije i da spreči krhko lomljenje i lomljenje alata.
(3) Otpornost na toplotu. Materijal alata treba da ima dobru otpornost na toplotu, da može da izdrži visoke temperature rezanja i da ima dobru antioksidativnu sposobnost.
(4) Performanse procesa i ekonomičnost. Materijal alata treba da ima dobre performanse kovanja, performanse termičke obrade, performanse zavarivanja; performanse brušenja, itd., i treba težiti visokom omjeru performansi i cijene.
2. Vrste, performanse, karakteristike i primjena alatnih materijala
1. Vrste, svojstva i karakteristike dijamantskih alatnih materijala i primjena alata
Dijamant je alotrop ugljika i najtvrđi je materijal koji se nalazi u prirodi. Dijamantski alati imaju visoku tvrdoću, visoku otpornost na habanje i visoku toplotnu provodljivost, te se široko koriste u obradi obojenih metala i nemetalnih materijala. Posebno u brzom rezanju aluminijuma i silicijum-aluminijumskih legura, dijamantski alati su glavna vrsta reznih alata koju je teško zameniti. Dijamantski alati koji mogu postići visoku efikasnost, visoku stabilnost i dugotrajnu obradu su nezamjenjiv i važan alat u modernoj CNC obradi.
1) Vrste dijamantskih alata
① Prirodni dijamantski alati: Prirodni dijamant se koristi kao alat za rezanje stotinama godina. Nakon finog brušenja, prirodni monokristalni dijamantski alat može biti izuzetno oštar, sa radijusom rezne ivice do 0.002μm, čime se može postići ultra tanko sečenje i može obraditi izuzetno visoku preciznost radnog predmeta i izuzetno nisku površinu hrapavost. To je priznat, idealan i nezamjenjiv alat za ultrapreciznu obradu.
② PCD dijamantski alat: Prirodni dijamant je skup, a dijamant koji se najčešće koristi za rezanje je polikristalni dijamant (PCD). Od ranih 1970-ih, nakon uspješnog razvoja polikristalnih dijamantskih (Polycrystauine diamond, koji se nazivaju PCD) oštrica pripremljenih tehnologijom sinteze na visokim temperaturama i visokim pritiskom, alati od prirodnog dijamanta su u mnogim prilikama zamijenjeni umjetnim polikristalnim dijamantom. PCD sirovina ima u izobilju, a njegova cijena je samo nekoliko desetina do desetina prirodnog dijamanta.
PCD alati ne mogu brusiti ekstremno oštre ivice, a kvalitet površine obrađenog obratka nije tako dobar kao prirodni dijamant. Trenutno u industriji nije lako proizvesti PCD noževe sa lomačima strugotine. Stoga se PCD može koristiti samo za precizno rezanje obojenih metala i nemetala, a teško je postići ultra-precizno rezanje ogledala.
③ CVD dijamantski alati: CVD dijamantska tehnologija se pojavila u Japanu od kasnih 1970-ih i ranih 1980-ih. CVD dijamant se odnosi na sintezu dijamantskog filma na heterogenoj podlozi (kao što je cementni karbid, keramika, itd.) hemijskim taloženjem iz pare (CVD). CVD dijamant ima istu strukturu i svojstva kao prirodni dijamant.
Performanse CVD dijamanta su vrlo slične onima prirodnog dijamanta. Ima prednosti prirodnog monokristalnog dijamanta i polikristalnog dijamanta (PCD) i u određenoj mjeri prevazilazi njihove nedostatke.
(2) Karakteristike performansi dijamantskih alata
① Izuzetno visoka tvrdoća i otpornost na habanje: Prirodni dijamant je najtvrđa supstanca koja se nalazi u prirodi. Dijamant ima izuzetno visoku otpornost na habanje. Prilikom obrade materijala visoke tvrdoće, vijek trajanja dijamantskih alata je 10 do 100 puta veći od cementiranih karbidnih alata, ili čak do nekoliko stotina puta.
② Veoma nizak koeficijent trenja: Koeficijent trenja između dijamanta i nekih obojenih metala je niži nego kod drugih alata. Nizak koeficijent trenja znači manje deformacije tokom obrade, što može smanjiti silu rezanja.
③ Veoma oštra rezna ivica: Rezna ivica dijamantskih alata može se vrlo oštro naoštriti. Prirodni monokristalni dijamantski alati mogu biti oštri kao 0.002-0.008μm, koji mogu izvoditi ultra-tanko rezanje i ultra-preciznu obradu.
④ Veoma visoka toplotna provodljivost: Dijamant ima visoku toplotnu provodljivost i toplotnu difuziju, toplotu rezanja je lako raspršiti, a temperatura reznog dela alata je niska.
⑤ Nizak koeficijent termičke ekspanzije: koeficijent termičke ekspanzije dijamanta je nekoliko puta manji od onog kod cementiranog karbida, a promjena veličine alata uzrokovana toplinom rezanja je vrlo mala, što je posebno važno za preciznu i ultra-preciznu obradu s visokim dimenzijama zahtjevi za tačnost.
(3) Primjena dijamantskih alata
Dijamantski alati se uglavnom koriste za fino rezanje i bušenje obojenih metala i nemetalnih materijala pri velikim brzinama. Pogodno za obradu raznih nemetala otpornih na habanje, kao što su plastične ploče ojačane staklenim vlaknima za praškaste metalurgije, keramički materijali, itd.; razni obojeni metali otporni na habanje, kao što su razne legure silicija i aluminija; razne završne obrade obojenih metala.
Nedostatak dijamantskih alata je loša termička stabilnost. Kada temperatura rezanja pređe 700 stepeni ~800 stepeni, oni će potpuno izgubiti svoju tvrdoću; osim toga, nisu pogodni za rezanje crnih metala, jer dijamant (ugljik) na visokim temperaturama lako reagira s atomima željeza, pretvarajući atome ugljika u grafitne strukture, a alati se lako oštećuju.
2. Vrste, svojstva i karakteristike alatnih materijala kubnog bor nitrida i primjena alata
Kubni bor nitrid (CBN), drugi supertvrdi materijal sintetizovan metodom sličnom metodi proizvodnje dijamanata, drugi je iza dijamanta po tvrdoći i toplotnoj provodljivosti. Ima odličnu termičku stabilnost i ne oksidira kada se zagrije na 10,000 stepeni u atmosferi. CBN ima izuzetno stabilna hemijska svojstva za crne metale i može se široko koristiti u preradi čeličnih proizvoda.
(1) Vrste kubnih alata od bor nitrida
Kubni bor nitrid (CBN) je supstanca koja ne postoji u prirodi. Može se podijeliti na monokristalni i polikristalni, odnosno CBN monokristalni i polikristalni kubni borov nitrid (skraćeno PCBN). CBN je jedan od alotropa bor nitrida (BN) i ima strukturu sličnu dijamantu.
PCBN (polikristalni kubni bor nitrid) je polikristalni materijal koji se proizvodi sinterovanjem finih CBN materijala zajedno kroz fazu vezivanja (TiC, TiN, Al, Ti, itd.) pod visokom temperaturom i visokim pritiskom. Trenutno je umjetno sintetiziran alatni materijal čija je tvrdoća druga nakon dijamanta. On i dijamant zajednički se nazivaju supertvrdim materijalima za alat. PCBN se uglavnom koristi za izradu alata ili drugih alata.
PCBN alati se mogu podijeliti na integralne PCBN oštrice i PCBN kompozitne oštrice sinterirane cementiranim karbidom.
PCBN kompozitne oštrice su napravljene sinterovanjem sloja {{0}}.5-1.0 mm debelog PCBN-a na cementiranom karbidu dobre čvrstoće i žilavosti. Njegove performanse kombinuju dobru žilavost sa visokom tvrdoćom i otpornošću na habanje. Rješava probleme niske čvrstoće na savijanje i teškog zavarivanja CBN oštrica.
(2) Glavna svojstva i karakteristike kubnog bor nitrida
Iako je tvrdoća kubnog bor nitrida nešto niža od tvrdoće dijamanta, mnogo je veća od drugih materijala visoke tvrdoće. Izuzetna prednost CBN-a je da je njegova termička stabilnost mnogo veća od one kod dijamanta, koji može doseći i iznad 1200 stepeni (dijamant je 700-800 stepen). Još jedna izvanredna prednost je da je hemijski inertan i da ne reaguje hemijski sa gvožđem na 1200-1300 stepenu. Glavne karakteristike performansi kubnog bor nitrida su sljedeće.
① Visoka tvrdoća i otpornost na habanje: Kristalna struktura CBN-a je slična onoj kod dijamanta, i ima sličnu tvrdoću i snagu kao dijamant. PCBN je posebno pogodan za obradu materijala visoke tvrdoće koji su se prije mogli samo brusiti i može postići bolji kvalitet površine obratka.
② Visoka termička stabilnost: otpornost na toplotu CBN-a može doseći 1400-1500 stepen, što je skoro 1 puta više od dijamanta (700-800 stepen). PCBN alati mogu rezati visokotemperaturne legure i kaljeni čelik brzinom 3-5 puta većom od brzine karbidnih alata.
③ Odlična hemijska stabilnost: Ne reaguje hemijski sa materijalima gvožđa na 1200-1300 stepenu, i neće se istrošiti kao dijamant. U ovom trenutku još uvijek može zadržati tvrdoću karbida; PCBN alati su pogodni za rezanje kaljenih čeličnih delova i rashlađenog livenog gvožđa, a mogu se široko koristiti u brzom rezanju livenog gvožđa.
④ Dobra toplotna provodljivost: Iako CBN-ova toplotna provodljivost ne može sustići dijamant, među svim vrstama materijala za alate, PCBN-ova toplotna provodljivost je druga posle dijamanta i mnogo je veća od brzoreznog čelika i karbida.
⑤ Nizak koeficijent trenja: Nizak koeficijent trenja može dovesti do smanjene sile rezanja, niže temperature rezanja i poboljšanog kvaliteta površine tokom rezanja.
(3) Primjena kubnih alata od bor nitrida
Kubični bor nitrid je pogodan za završnu obradu različitih teško rezanih materijala kao što su kaljeni čelik, tvrdo liveno gvožđe, legura na visokim temperaturama, cementni karbid, materijali za površinsko prskanje, itd. Preciznost obrade može dostići IT5 (IT6 za rupe), i vrijednost hrapavosti površine može biti mala kao Ra1.25~0.20μm.
Materijali alata od kubnog bor nitrida imaju slabu žilavost i čvrstoću na savijanje. Stoga, kubni alati za struganje od bor nitrida nisu prikladni za grubu obradu pri maloj brzini i sa velikim udarnim opterećenjem; istovremeno nisu pogodni za rezanje materijala visoke plastičnosti (kao što su legure aluminijuma, legure bakra, legure na bazi nikla, čelik visoke plastičnosti, itd.), jer će pri rezanju ovih metala doći do ozbiljnih nagomilanih ivica. nastaju, što će oštetiti obrađenu površinu.
3. Vrste, svojstva i karakteristike keramičkih alatnih materijala i primjena alata
Keramički alati imaju karakteristike visoke tvrdoće, dobre otpornosti na habanje, odlične otpornosti na toplinu i kemijske stabilnosti, te se teško spajaju s metalima. Keramički alati zauzimaju veoma važnu poziciju u CNC obradi. Keramički alati postali su jedan od glavnih alata za brzo sečenje i materijale koji se teško obrađuju. Keramički alati se široko koriste u brzom rezanju, suhom rezanju, tvrdom rezanju i rezanju materijala koji se teško obrađuju. Keramički alati mogu efikasno obraditi materijale visoke tvrdoće koje tradicionalni alati uopće ne mogu obraditi, ostvarujući "okretanje umjesto brušenja"; optimalna brzina rezanja keramičkih alata može biti 2 do 10 puta veća od brzine rezanja alata od cementnog karbida, čime se značajno poboljšava efikasnost rezanja; glavne sirovine koje se koriste u keramičkim alatnim materijalima su najzastupljeniji elementi u zemljinoj kori. Stoga je promocija i primjena keramičkih alata od velikog značaja za poboljšanje produktivnosti, smanjenje troškova obrade i uštedu strateških plemenitih metala, a uvelike će promovirati i napredak tehnologije rezanja.
(1) Vrste keramičkih alatnih materijala
Keramički alatni materijali se generalno mogu podijeliti u tri kategorije: keramika na bazi glinice, keramika na bazi silicijum nitrida i kompozitna keramika na bazi silicijum nitrida i glinice. Među njima se najviše koriste keramički alatni materijali na bazi glinice i silicijum nitrida. Performanse keramike na bazi silicijum nitrida superiorne su u odnosu na keramiku na bazi glinice.
(2) Performanse i karakteristike keramičkih alata
Karakteristike performansi keramičkih alata su sljedeće:
① Visoka tvrdoća i dobra otpornost na habanje: Iako tvrdoća keramičkih alata nije tako visoka kao kod PCD i PCBN, mnogo je veća od tvrdoće alata od cementnog karbida i brzoreznog čelika, dostižući 93~95HRA. Keramički alati mogu obraditi materijale visoke tvrdoće koje je teško obraditi tradicionalnim alatima, a pogodni su za brzo i tvrdo rezanje.
② Otpornost na visoke temperature i dobra otpornost na toplotu: Keramički alati i dalje mogu rezati na visokim temperaturama iznad 1200 stepeni. Keramički alati imaju odlična mehanička svojstva pri visokim temperaturama. Al2O3 keramički alati imaju posebno dobru otpornost na oksidaciju. Rezna ivica se može koristiti kontinuirano čak iu usijanom stanju. Stoga, keramički alati mogu postići suho sečenje, čime se eliminira potreba za tekućinom za rezanje.
③ Dobra hemijska stabilnost: Keramičke alate nije lako povezati sa metalima, otporni su na koroziju i hemijski stabilni, što može smanjiti habanje alata.
④ Nizak koeficijent trenja: Keramički alati imaju nizak afinitet prema metalima i nizak koeficijent trenja, što može smanjiti silu rezanja i temperaturu rezanja.
(3) Primjena keramičkih alata
Keramika je jedan od alatnih materijala koji se uglavnom koristi za brzu završnu i poluzavršnu obradu. Keramički alati su pogodni za rezanje različitih livenih gvožđa (sivi liv, nodularno gvožđe, kovno gvožđe, rashlađeni liveni gvožđe, visokolegirani liveni gvožđe otporni na habanje) i čelika (ugljenični konstrukcioni čelik, legirani konstrukcioni čelik, čelik visoke čvrstoće, čelik sa visokim sadržajem mangana, kaljeni čelik, itd.), a može se koristiti i za rezanje legura bakra, grafita, inženjerske plastike i kompozitnih materijala.
Keramički alatni materijali imaju problem niske čvrstoće na savijanje i slabe udarne žilavosti i nisu prikladni za rezanje pri maloj brzini i udarnom opterećenju.
4. Performanse i karakteristike obloženih alatnih materijala i primjena alata
Alati za premazivanje je jedan od važnih načina za poboljšanje performansi alata. Pojava obloženih alata napravila je veliki napredak u performansama rezanja alata. Alati sa premazom se izrađuju premazivanjem jednog ili više slojeva vatrostalnih jedinjenja sa dobrom otpornošću na habanje na čvrstom telu alata. Kombinuju podlogu alata sa tvrdim premazom, čime se značajno poboljšavaju performanse alata. Alati sa premazom mogu poboljšati efikasnost obrade, poboljšati tačnost obrade, produžiti vijek trajanja alata i smanjiti troškove obrade.
Oko 80% alata za sečenje koji se koriste u novim CNC mašinama koriste alate sa premazom. Obloženi alati će u budućnosti biti najvažnija sorta alata u oblasti CNC obrade.
(1) Vrste obloženih alata
Ovisno o metodi premaza, obloženi alati se mogu podijeliti na alate presvučene kemijskim taloženjem (CVD) i alate s fizičkim taloženjem parom (PVD). Obloženi karbidni alati uglavnom koriste hemijsko taloženje parom, a temperatura taloženja je oko 1000 stepeni. Alati od brzoreznog čelika sa premazom uglavnom koriste fizičko taloženje parom, a temperatura taloženja je oko 500 stepeni.
Prema različitim osnovnim materijalima obloženih alata, obloženi alati se mogu podijeliti na alate presvučene karbidom, alate obložene brzoreznim čelikom i obložene alate na keramici i supertvrdim materijalima (dijamant i kubni bor nitrid).
Prema svojstvima materijala za premazivanje, obloženi alati se mogu podijeliti u dvije kategorije, i to "tvrdo" obloženi alati i "meki" premazani alati. Glavni cilj "tvrdo" obloženih alata je visoka tvrdoća i otpornost na habanje. Njegove glavne prednosti su visoka tvrdoća i dobra otpornost na habanje. Tipični su TiC i TiN premazi. Cilj alata sa "mekim" premazom je nizak koeficijent trenja, poznat i kao samopodmazujući alat. Njegov koeficijent trenja sa materijalom obratka je vrlo nizak, samo oko 0.1, što može smanjiti prianjanje, smanjiti trenje i smanjiti silu rezanja i temperaturu rezanja.
Nedavno su razvijeni alati s nano presvlakom. Ovaj tip obloženog alata može koristiti različite kombinacije različitih materijala za premazivanje (kao što su metal/metal, metal/keramika, keramika/keramika, itd.) kako bi zadovoljio različite funkcionalne zahtjeve i zahtjeve performansi. Razumno dizajnirani nano premazi mogu učiniti da materijali alata imaju odlične funkcije protiv trenja i habanja i svojstva samopodmazivanja, što je pogodno za suvo rezanje velikom brzinom.
(2) Karakteristike obloženih alata
Karakteristike performansi obloženih alata su sljedeće:
① Dobre mehaničke i rezne performanse: Obloženi alati kombinuju izvrsna svojstva osnovnog materijala i materijala za oblaganje, održavajući dobru žilavost i visoku čvrstoću osnovnog materijala, a istovremeno imaju visoku tvrdoću, visoku otpornost na habanje i nizak koeficijent trenja premaza . Zbog toga se brzina rezanja obloženih alata može povećati za više od 2 puta u odnosu na alate bez premaza, a dozvoljena je veća brzina posmaka. Produžen je i vijek trajanja obloženih alata.
② Snažna svestranost: Alati sa premazom imaju široku svestranost i značajno proširuju opseg obrade. Jedan premazani alat može zamijeniti nekoliko neobloženih alata.
③ Debljina premaza: vijek trajanja alata će se povećati s povećanjem debljine premaza, ali kada debljina premaza dostigne zasićenje, vijek trajanja alata se više neće značajno povećati. Kada je premaz predebeo, lako je izazvati ljuštenje; kada je premaz pretanak, otpornost na habanje je slaba.
④ Ponovno brušenje: Ponovno brušenje obloženih oštrica je loše, oprema za premazivanje je složena, zahtjevi procesa su visoki, a vrijeme premazivanja je dugo.
⑤ Materijal za premazivanje: Alati sa različitim materijalima za premazivanje imaju različite performanse rezanja. Na primjer: TiC premaz ima prednost u rezanju pri maloj brzini; TiN je pogodniji za rezanje velikom brzinom.
(3) Primjena obloženih alata
Alati sa premazom imaju veliki potencijal u oblasti CNC obrade i biće najvažniji tip alata u oblasti CNC obrade u budućnosti. Tehnologija premazivanja je primijenjena na krajnje glodalice, razvrtače, bušilice, složene alate za obradu rupa, ploče za kuhanje zupčanika, glodalice za oblikovanje zupčanika, glodalice za brijanje zupčanika, protege za oblikovanje i razne strojno montirane indeksne umetke kako bi se zadovoljile potrebe brzog rezanja različitih čelika i liveno gvožđe, legure otporne na toplotu i obojeni metali.
5. Vrste, svojstva, karakteristike i primjena cementnih karbidnih alatnih materijala
Alati od cementnog karbida, posebno alati od cementnog karbida koji se mogu indeksirati, vodeći su proizvodi CNC alata za obradu. Od 1980-ih, različite vrste integralnih i indeksiranih alata ili oštrica od cementnog karbida proširene su na različita polja reznih alata. Među njima, alati od cementnog karbida koji se mogu indeksirati proširili su se od jednostavnih alata za struganje i čeonih glodala do raznih preciznih, složenih i alatnih polja za oblikovanje.
(1) Vrste alata od cementnog karbida
Prema glavnom hemijskom sastavu, cementni karbid se može podijeliti na cementni karbid na bazi volfram karbida i cementni karbid na bazi titanijum karbida (nitrid) (TiC (N)).
Cementirani karbid na bazi volfram karbida uključuje tri tipa: tip volfram kobalta (YG), tip volfram kobalt titanijuma (YT) i tip dodatog rijetkog karbida (YW). Svaki od njih ima svoje prednosti i mane. Glavne komponente su volfram karbid (WC), titanijum karbid (TiC), tantal karbid (TaC), niobijum karbid (NbC), itd. Najčešće korišćena faza vezivanja metala je Co.
Cementirani karbid na bazi titanijum karbida (nitrida) je cementni karbid sa TiC kao glavnom komponentom (neki imaju dodane druge karbide ili nitride), a najčešće korišćene metalne vezne faze su Mo i Ni.
ISO (Međunarodna organizacija za standardizaciju) dijeli rezanje cementnog karbida u tri kategorije:
K kategorija, uključujući Kl0~K40, što je ekvivalent YG kategoriji moje zemlje (glavna komponenta je WC-Co).
P kategorija, uključujući P01~P50, što je ekvivalent YT kategoriji moje zemlje (glavna komponenta je WC-TiC-Co).
M kategorija, uključujući M10~M40, što je ekvivalent YW kategoriji moje zemlje (glavna komponenta je WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Svaki brend je predstavljen brojem između 01 i 50 koji predstavlja niz legura od visoke tvrdoće do maksimalne žilavosti.
(2) Karakteristike performansi alata od cementnog karbida
Karakteristike performansi alata od cementnog karbida su sljedeće:
① Visoka tvrdoća: alati od cementnog karbida su napravljeni od karbida (koji se nazivaju tvrda faza) visoke tvrdoće i tačke topljenja i metalnog veziva (naziva se faza vezivanja) putem metalurgije praha. Njihova tvrdoća dostiže 89-93HRA, što je mnogo više od brzoreznog čelika. Na 5400 stepeni, tvrdoća i dalje može dostići 82-87HRA, što je isto kao tvrdoća brzoreznog čelika na sobnoj temperaturi (83-86HRA). Vrijednost tvrdoće cementnog karbida varira s prirodom, količinom, veličinom čestica i sadržajem metalne vezne faze karbida i općenito opada s povećanjem sadržaja vezivne metalne faze. Kada je sadržaj vezne faze isti, tvrdoća YT legure je veća od tvrdoće YG legure, a legura s dodatkom TaC (NbC) ima veću tvrdoću pri visokim temperaturama.
② Čvrstoća i žilavost na savijanje: Čvrstoća na savijanje obično korištenog cementnog karbida je u rasponu od 900-1500MPa. Što je veći sadržaj metalne vezne faze, veća je čvrstoća na savijanje. Kada je sadržaj veziva isti, čvrstoća legure tipa YG (WC-Co) je veća od legure tipa YT (WC-TiC-Co), a čvrstoća opada sa povećanjem sadržaja TiC. Cementirani karbid je krhak materijal, a njegova udarna žilavost na sobnoj temperaturi je samo 1/30 do 1/8 od brzoreznog čelika.
(3) Primjena najčešće korištenih alata od cementnog karbida
Legure tipa YG se uglavnom koriste za obradu livenog gvožđa, obojenih metala i nemetalnih materijala. Fino zrnati cementni karbid (kao što su YG3X, YG6X) ima veću tvrdoću i otpornost na habanje od srednjezrnih kada je sadržaj kobalta isti. Pogodan je za obradu nekih specijalnih tvrdih livenih gvožđa, austenitnog nerđajućeg čelika, legura otpornih na toplotu, legura titana, tvrde bronce i izolacionih materijala otpornih na habanje.
Izvanredne prednosti cementnog karbida tipa YT su visoka tvrdoća, dobra otpornost na toplinu, veća tvrdoća i čvrstoća na pritisak na visokim temperaturama od tipa YG i dobra otpornost na oksidaciju. Stoga, kada se traži da alat ima veću otpornost na toplinu i otpornost na habanje, treba odabrati tip s većim sadržajem TiC. YT legure su pogodne za obradu plastičnih materijala kao što je čelik, ali ne i za obradu legura titana i silicijum aluminijumskih legura.
YW legure imaju svojstva i YG i YT legura i imaju dobra sveobuhvatna svojstva. Mogu se koristiti za obradu čelika, livenog gvožđa i obojenih metala. Ako se sadržaj kobalta u ovoj vrsti legure na odgovarajući način poveća, čvrstoća može biti vrlo visoka i može se koristiti za grubu obradu i povremeno sečenje različitih teško obradivih materijala.
6. Vrste, karakteristike i primjena alata od brzoreznog čelika
Brzorezni čelik (HSS) je visokolegirani alatni čelik sa velikom količinom legiranih elemenata kao što su W, Mo, Cr i V. Alati od brzoreznog čelika imaju odlične sveobuhvatne performanse u smislu čvrstoće, žilavosti i obradivosti . Brzorezni čelik i dalje zauzima glavnu poziciju u složenim alatima, posebno u proizvodnji alata za obradu rupa, glodala, alata za narezivanje navoja, provlačenja, alata za rezanje zupčanika i drugih alata sa složenim oblicima oštrice. Alati od brzog čelika lako se naoštre oštricama.
Prema različitim namjenama, brzorezni čelik se može podijeliti na brzorezni čelik opće namjene i brzorezni čelik visokih performansi.
(1) Alati od brzoreznog čelika opće namjene
Brzorezni čelik opšte namjene. Generalno, može se podijeliti u dvije kategorije: volfram čelik i volfram-molibden čelik. Ova vrsta brzoreznog čelika sadrži 0,7% do 0,9% volframa. Prema različitom sadržaju volframa u čeliku, može se podijeliti na volfram čelik koji sadrži 12% ili 18% W, volfram-molibden koji sadrži 6% ili 8% W i molibden čelik koji sadrži 2% ili ne sadrži W. Opće namjene brzorezni čelik ima određenu tvrdoću (63-66HRC) i otpornost na habanje, visoku čvrstoću i žilavost, dobru plastičnost i tehnologiju obrade, pa se široko koristi u proizvodnji raznih složenih alata.
① Volfram čelik: Tipični razred opštenamenskog čelika od volframa je W18Cr4V (skraćeno W18), koji ima dobre sveobuhvatne performanse. Tvrdoća na visokoj temperaturi na 6000 stepeni je 48,5HRC, što se može koristiti za proizvodnju različitih složenih alata. Ima prednosti dobrog mljevenja i niske osjetljivosti na dekarbonizaciju, ali zbog visokog sadržaja karbida, neravnomjerne raspodjele, velikih čestica, niske čvrstoće i žilavosti.
② Volfram-molibden čelik: odnosi se na brzorezni čelik dobijen zamjenom dijela volframa u volfram čeliku molibdenom. Tipični razred volfram-molibdenskog čelika je W6Mo5Cr4V2 (skraćeno M2). Čestice karbida M2 su fine i ujednačene, a njegova čvrstoća, žilavost i plastičnost pri visokim temperaturama su bolji od W18Cr4V. Drugi volfram-molibden čelik je W9Mo3Cr4V (skraćeno W9), koji ima nešto veću termičku stabilnost od čelika M2, bolju čvrstoću na savijanje i žilavost od W6M05Cr4V2, i ima dobru obradivost.
(2) Alati od brzog čelika visokih performansi
Brzorezni čelik visokih performansi odnosi se na novu vrstu čelika koja dodaje nešto sadržaja ugljika, vanadija i legirajućih elemenata kao što su Co i Al općoj kompoziciji brzoreznog čelika, čime se poboljšava njegova otpornost na toplinu i otpornost na habanje. Uglavnom postoje sljedeće kategorije:
① Visokougljenični brzorezni čelik. Visokougljični brzorezni čelik (kao što je 95W18Cr4V) ima visoku tvrdoću na sobnoj temperaturi i visokoj temperaturi. Pogodan je za izradu alata za obradu običnog čelika i livenog gvožđa, bušilica, razvrtača, slavina i glodala sa visokim zahtevima otpornosti na habanje, ili za obradu tvrđih materijala. Nije pogodan za velike udare.
② Visokorezni čelik sa visokim vanadijem. Tipične vrste, kao što je W12Cr4V4Mo (skraćeno EV4), sadrže 3%~5% V, imaju dobru otpornost na habanje i pogodne su za rezanje materijala koji su izuzetno podložni habanju alatima, kao što su vlakna, tvrda guma, plastika itd. Može se koristiti i za obradu nerđajućeg čelika, čelika visoke čvrstoće i legura na visokim temperaturama.
③ Kobalt brzorezni čelik. To je super-tvrdi brzorezni čelik koji sadrži kobalt. Tipični razredi, kao što je W2Mo9Cr4VCo8 (skraćeno M42), imaju visoku tvrdoću, a njegova tvrdoća može doseći 69~70HRC. Pogodan je za obradu teško obradivih materijala kao što su čelik visoke čvrstoće otporan na toplinu, legure na visoke temperature, legure titana itd. M42 ima dobru brusnost i pogodan je za izradu preciznih i složenih alata, ali nije pogodan za rad u uslovima udarnog rezanja.
④ Aluminijski brzorezni čelik. To je super-tvrdi brzorezni čelik koji sadrži aluminijum. Tipične klase uključuju W6Mo5Cr4V2Al (skraćeno kao 501). Njegova visokotemperaturna tvrdoća na 6000 stepeni takođe dostiže 54HRC. Njegov učinak rezanja je ekvivalentan M42. Pogodan je za proizvodnju glodala, bušilica, razvrtača, zupčastih glodala, provlačenja itd. Koristi se za obradu legiranog čelika, nerđajućeg čelika, čelika visoke čvrstoće i visokotemperaturnih legura.
⑤ Dušik super-tvrdi brzorezni čelik. Tipične klase uključuju W12M03Cr4V3N (skraćeno (V3N). To je supertvrdi brzorezni čelik koji sadrži dušik. Njegova tvrdoća, čvrstoća i žilavost su ekvivalentni M42. Može se koristiti kao zamjena za brzorezni čelik koji sadrži kobalt čelika i koristi se za rezanje teško obradivih materijala pri maloj brzini i za obradu male brzine visoke preciznosti.
(3) Topljenje brzoreznog čelika i brzoreznog čelika iz metalurgije praha
Prema različitim proizvodnim procesima, brzorezni čelik se može podijeliti na brzorezni čelik za topljenje i brzorezni čelik za metalurgiju praha.
① Topljenje brzoreznog čelika: Običan brzorezni čelik i brzorezni čelik visokih performansi se proizvode metodama topljenja. Prerađuju se u alate za rezanje kroz procese kao što su topljenje, livenje u ingotima i oblaganje i valjanje. Ozbiljan problem koji se lako javlja pri topljenju brzoreznog čelika je segregacija karbida. Tvrdi i lomljivi karbidi su neravnomjerno raspoređeni u brzoreznom čeliku, a zrna su krupna (do desetina mikrona), što negativno utiče na otpornost na habanje, žilavost i performanse rezanja alata od brzoreznog čelika.
② Brzi čelik iz metalurgije praha (PM HSS): Brzi čelik iz metalurgije praha (PM HSS) je čelična tekućina topljena u visokofrekventnoj indukcijskoj peći, koja se atomizira argonom pod visokim pritiskom ili čistim dušikom, a zatim brzo ohlađen da bi se dobila fina i ujednačena kristalna struktura (prašak od brzoreznog čelika). Dobijeni prah se zatim pod visokom temperaturom i visokim pritiskom utiskuje u zatvor nožem, ili se prvo od njega pravi čelični zalogaj, a zatim kuje i valja u obliku alata. U poređenju sa brzoreznim čelikom proizvedenim metodom topljenja, PM HSS ima prednosti finih i ujednačenih zrna karbida, te mnogo veću čvrstoću, žilavost i otpornost na habanje od topljenja brzoreznog čelika. U području složenih CNC alata, PM HSS alati će se dalje razvijati i zauzimati važnu poziciju. Tipične klase, kao što su F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN, itd., mogu se koristiti za proizvodnju alata za rezanje velikih dimenzija, teškog opterećenja i velikog udara, a mogu se koristiti i za proizvodnju preciznih alati za rezanje.
Principi odabira materijala za CNC alate
Trenutno, široko korišteni materijali za CNC alate uglavnom uključuju dijamantske alate, kubne alate od bor nitrida, keramičke alate, obložene alate, karbidne alate i alate od brzog čelika. Postoji mnogo vrsta alatnih materijala, a njihova izvedba uvelike varira. Glavni pokazatelji učinka različitih materijala alata prikazani su u sljedećoj tabeli.
Materijali alata za CNC obradu moraju se odabrati u skladu sa obradnim komadom koji se obrađuje i prirodom obrade. Izbor materijala alata treba razumno uskladiti sa objektom obrade. Usklađivanje materijala reznog alata i predmeta obrade uglavnom se odnosi na usklađivanje mehaničkih svojstava, fizičkih svojstava i hemijskih svojstava oba da bi se postigao najduži vijek trajanja alata i maksimalna produktivnost rezanja.
1. Usklađivanje mehaničkih svojstava materijala reznog alata i predmeta obrade
Problem usklađivanja mehaničkih svojstava reznih alata i predmeta obrade uglavnom se odnosi na usklađivanje parametara mehaničkih svojstava kao što su čvrstoća, žilavost i tvrdoća materijala alata i predmeta obrade. Alati sa različitim mehaničkim svojstvima pogodni su za obradu različitih materijala izradaka.
① The order of tool material hardness is: diamond tool> cubic boron nitride tool> ceramic tool> cemented carbide>brzorezni čelik.
② The order of bending strength of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide> ceramic tool>alat za dijamant i kubni bor nitrid.
③ The order of toughness of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide>kubni bor nitrid, dijamantski i keramički alat.
Materijali izradaka visoke tvrdoće moraju se obraditi alatima veće tvrdoće. Tvrdoća materijala alata mora biti veća od tvrdoće materijala radnog komada, a općenito se zahtijeva da bude iznad 60HRC. Što je veća tvrdoća materijala alata, to je bolja njegova otpornost na habanje. Na primjer, kada se poveća sadržaj kobalta u cementiranom karbidu, njegova čvrstoća i žilavost se povećavaju, a tvrdoća se smanjuje, što je pogodno za grubu obradu; kada se sadržaj kobalta smanjuje, povećava se njegova tvrdoća i otpornost na habanje, što je pogodno za finu obradu.
Alati sa odličnim mehaničkim svojstvima pri visokim temperaturama posebno su pogodni za brzo sečenje. Odlične performanse na visokim temperaturama keramičkih alata omogućavaju im rezanje pri velikim brzinama, a dozvoljena brzina rezanja može se povećati za 2 do 10 puta u odnosu na cementni karbid.
2. Usklađivanje fizičkih svojstava materijala reznog alata sa predmetima obrade
Alati sa različitim fizičkim svojstvima, kao što su brzorezni čelični alati sa visokom toplotnom provodljivošću i niskom tačkom tališta, keramički alati sa visokom tačkom topljenja i niskim termičkim širenjem, dijamantski alati sa visokom toplotnom provodljivošću i niskim toplotnim širenjem, itd. obrada različitih materijala izradaka. Prilikom obrade radnih predmeta sa slabom toplotnom provodljivošću treba koristiti materijale alata sa boljom toplotnom provodljivošću kako bi se omogućilo brzo prenošenje toplote rezanja i smanjila temperatura rezanja. Dijamant ima visoku toplotnu provodljivost i toplotnu difuzivnost, tako da se toplota rezanja može lako raspršiti bez izazivanja velikih termičkih deformacija, što je posebno važno za precizne alate za obradu sa visokim zahtevima za preciznošću dimenzija.
① Temperatura otpornosti na toplinu različitih materijala alata: 700-8000 stepen za dijamantske alate, 13000-15000 stepen za PCBN alate, 1100-12000 stepen za keramičke alate, 900-11000 stepen za TiC(N) - cementni karbid na bazi, 800-9000 stepen za ultrafino zrnasti cementni karbid na bazi WC, i 600-7000 stepen za HSS.
② The order of thermal conductivity of various tool materials: PCD>PCBN>WC-based cemented carbide>TiC(N)-based cemented carbide>HSS>Si3N4-based ceramics>Keramika na bazi Al2O{1}}.
③The thermal expansion coefficients of various tool materials are in the following order: HSS>WC-based carbide>TiC(N)>Al2O3-based ceramics>PCBN>Si3N4-based ceramics>PCD.
④The thermal shock resistance of various tool materials is in the following order: HSS>WC-based carbide>Si3N4-based ceramics>PCBN>PCD>TiC(N)-based carbide>Keramika na bazi Al2O{1}}.
3. Usklađivanje hemijskih performansi materijala reznog alata i predmeta obrade
Problem usklađivanja hemijskih performansi materijala alata za rezanje i predmeta obrade uglavnom se odnosi na parametre hemijskih performansi kao što su hemijski afinitet, hemijska reakcija, difuzija i otapanje materijala alata i materijala izradaka. Alati od različitih materijala pogodni su za obradu različitih materijala izradaka.
①The anti-adhesion temperature of various tool materials (with steel) is: PCBN>ceramics>carbide>HSS.
②The anti-oxidation temperature of various tool materials is: ceramics>PCBN>carbide>diamond>HSS.
③ The diffusion strength of various tool materials (for steel) is: diamond>Si3N4-based ceramics>PCBN>Al2O3-based ceramics. The diffusion strength (for titanium) is: Al2O3-based ceramics>PCBN>SiC>Si3N4>dijamant.
4. Razuman izbor materijala za CNC alate
Općenito govoreći, PCBN, keramički alati, obloženi karbidni alati i alati od karbida na bazi TiCN-a su pogodni za CNC obradu crnih metala kao što je čelik; dok su PCD alati pogodni za obradu materijala od obojenih metala kao što su Al, Mg, Cu i njihove legure i nemetalni materijali. Sljedeća tabela prikazuje neke materijale izratka pogodne za obradu različitim materijalima alata.