1. Osnovna svojstva koja trebaju imati alatni materijali
Odabir materijala alata ima veliki utjecaj na vijek trajanja alata, učinkovitost obrade, kvalitetu obrade i cijenu obrade. Prilikom rezanja alati moraju izdržati visoki pritisak, visoku temperaturu, trenje, udarce i vibracije. Stoga alatni materijali trebaju imati sljedeća osnovna svojstva:
(1) Tvrdoća i otpornost na trošenje. Tvrdoća materijala alata mora biti veća od tvrdoće materijala obratka, općenito se zahtijeva da bude iznad 60HRC. Što je veća tvrdoća materijala alata, to je bolja otpornost na habanje.
(2) Snaga i žilavost. Materijal alata treba imati visoku čvrstoću i žilavost kako bi izdržao silu rezanja, udarce i vibracije te spriječio krti lom i lomljenje alata.
(3) Otpornost na toplinu. Materijal alata mora imati dobru otpornost na toplinu, biti u stanju izdržati visoke temperature rezanja i imati dobru antioksidacijsku sposobnost.
(4) Performanse i ekonomičnost procesa. Materijal alata treba imati dobre performanse kovanja, toplinske obrade, performanse zavarivanja; performanse mljevenja, itd., i trebaju težiti visokom omjeru učinka i cijene.
2. Vrste, izvedba, karakteristike i primjena alatnih materijala
1. Vrste, svojstva i karakteristike dijamantnih alatnih materijala i primjena alata
Dijamant je alotrop ugljika i najtvrđi je materijal pronađen u prirodi. Dijamantni alati imaju visoku tvrdoću, visoku otpornost na habanje i visoku toplinsku vodljivost, te se široko koriste u obradi obojenih metala i nemetalnih materijala. Osobito u brzom rezanju aluminija i silicij aluminijskih legura, dijamantni alati su glavna vrsta alata za rezanje koju je teško zamijeniti. Dijamantni alati kojima se može postići visoka učinkovitost, visoka stabilnost i dugotrajnost obrade nezamjenjiv su i važan alat u modernoj CNC obradi.
1) Vrste dijamantnih alata
① Alati od prirodnog dijamanta: Prirodni dijamant se koristi kao alat za rezanje stotinama godina. Nakon finog brušenja, prirodni monokristalni dijamantni alat može biti iznimno oštar, s polumjerom oštrice do 0,002μm, čime se može postići ultratanko rezanje i može obraditi izradak s iznimno visokom preciznošću i iznimno niskom površinom hrapavost. To je priznat, idealan i nezamjenjiv ultraprecizan alat za obradu.
② PCD dijamantni alat: prirodni dijamant je skup, a najrašireniji dijamant za rezanje je polikristalni dijamant (PCD). Od ranih 1970-ih, nakon uspješnog razvoja oštrica od polikristalnog dijamanta (Polycrystauine diamond, poznatih kao PCD) pripremljenih tehnologijom sinteze visoke temperature i visokog tlaka, prirodni dijamantni alati su u mnogim prilikama zamijenjeni umjetnim polikristalnim dijamantom. PCD sirovina ima u izobilju, a cijena mu je samo nekoliko desetina do tuceta prirodnog dijamanta.
PCD alati ne mogu brusiti izrazito oštre rubove, a kvaliteta površine obrađenog obratka nije tako dobra kao kod prirodnog dijamanta. Trenutačno u industriji nije lako proizvoditi PCD oštrice s lomiteljima strugotine. Stoga se PCD može koristiti samo za precizno rezanje obojenih metala i nemetala, a teško je postići ultra-precizno rezanje zrcalom.
③ CVD dijamantni alati: CVD dijamantna tehnologija pojavila se u Japanu od kasnih 1970-ih i ranih 1980-ih. CVD dijamant se odnosi na sintezu dijamantnog filma na heterogenom supstratu (kao što je cementni karbid, keramika itd.) kemijskim taloženjem iz pare (CVD). CVD dijamant ima istu strukturu i svojstva kao prirodni dijamant.
Učinak CVD dijamanta vrlo je sličan prirodnom dijamantu. Ima prednosti prirodnog monokristalnog dijamanta i polikristalnog dijamanta (PCD), te u određenoj mjeri nadilazi njihove nedostatke.
(2) Radne karakteristike dijamantnih alata
① Iznimno visoka tvrdoća i otpornost na habanje: prirodni dijamant je najtvrđa tvar koja se nalazi u prirodi. Dijamant ima izuzetno visoku otpornost na habanje. Pri obradi materijala visoke tvrdoće, životni vijek dijamantnih alata je 10 do 100 puta veći od alata od tvrdog metala ili čak do nekoliko stotina puta.
② Vrlo nizak koeficijent trenja: koeficijent trenja između dijamanta i nekih obojenih metala manji je nego kod drugih alata. Nizak koeficijent trenja znači manje deformacije tijekom obrade, što može smanjiti silu rezanja.
③ Vrlo oštar rezni rub: rezni rub dijamantnog alata može se vrlo oštro naoštriti. Prirodni monokristalni dijamantni alati mogu biti oštri kao 0.002-0.008μm, koji mogu izvesti ultratanko rezanje i ultrapreciznu obradu.
④ Vrlo visoka toplinska vodljivost: dijamant ima visoku toplinsku vodljivost i toplinsku difuziju, toplina rezanja se lako rasipa, a temperatura reznog dijela alata je niska.
⑤ Niski koeficijent toplinskog širenja: koeficijent toplinskog širenja dijamanta je nekoliko puta manji od onog kod cementnog karbida, a promjena veličine alata uzrokovana toplinom rezanja je vrlo mala, što je osobito važno za preciznu i ultra-preciznu obradu s visokodimenzionalnim zahtjevi točnosti.
(3) Primjena dijamantnih alata
Dijamantni alati se uglavnom koriste za fino rezanje i bušenje obojenih metala i nemetalnih materijala pri velikim brzinama. Prikladno za obradu raznih nemetala otpornih na habanje, kao što su metalurški obradaci plastike ojačane staklenim vlaknima, keramički materijali itd.; razni obojeni metali otporni na habanje, kao što su razne silicij aluminijske legure; razne dorade obojenih metala.
Nedostatak dijamantnih alata je njihova slaba toplinska stabilnost. Kada temperatura rezanja prijeđe 700 stupnjeva ~ 800 stupnjeva, oni će potpuno izgubiti svoju tvrdoću; osim toga, nisu prikladni za rezanje željeznih metala, jer dijamant (ugljik) lako reagira s atomima željeza na visokim temperaturama, pretvarajući atome ugljika u grafitne strukture, pa se alati lako oštećuju.
2. Vrste, svojstva i značajke alatnih materijala kubnog bor nitrida i primjena alata
Kubični bor nitrid (CBN), drugi supertvrdi materijal sintetiziran metodom sličnom metodi proizvodnje dijamanta, drugi je nakon dijamanta po tvrdoći i toplinskoj vodljivosti. Ima izvrsnu toplinsku stabilnost i ne oksidira kada se zagrije na 10,000 stupnjeva u atmosferi. CBN ima izuzetno stabilna kemijska svojstva za željezne metale i može se široko koristiti u obradi proizvoda od čelika.
(1) Vrste alata od kubičnog bor nitrida
Kubični bor nitrid (CBN) je tvar koja ne postoji u prirodi. Može se podijeliti na monokristalne i polikristalne, naime monokristal CBN i polikristalni kubični borov nitrid (skraćeno PCBN). CBN je jedan od alotropa bor nitrida (BN) i ima strukturu sličnu dijamantu.
PCBN (polikristalni kubični bor nitrid) je polikristalni materijal koji se proizvodi sinteriranjem finih CBN materijala kroz vezujuću fazu (TiC, TiN, Al, Ti itd.) pod visokom temperaturom i visokim tlakom. Trenutno je umjetno sintetiziran alatni materijal čija je tvrdoća druga samo od dijamanta. On i dijamant zajednički se nazivaju supertvrdi alatni materijali. PCBN se uglavnom koristi za izradu alata ili drugih alata.
PCBN alati mogu se podijeliti na integralne PCBN oštrice i PCBN kompozitne oštrice sinterirane s cementnim karbidom.
PCBN kompozitne oštrice izrađene su sinteriranjem sloja {{0}}.5-1.0 mm debelog PCBN-a na cementnom karbidu dobre čvrstoće i žilavosti. Njegova izvedba kombinira dobru žilavost s velikom tvrdoćom i otpornošću na trošenje. Rješava probleme niske čvrstoće na savijanje i teškog zavarivanja CBN oštrica.
(2) Glavna svojstva i karakteristike kubičnog bor nitrida
Iako je tvrdoća kubičnog bor nitrida nešto manja od tvrdoće dijamanta, mnogo je veća od ostalih materijala visoke tvrdoće. Izvanredna prednost CBN-a je ta što je njegova termička stabilnost puno veća nego kod dijamanta, koji može doseći temperaturu iznad 1200 stupnjeva (dijamant ima 700-800 stupanj). Još jedna izvanredna prednost je to što je kemijski inertan i ne reagira kemijski sa željezom na 1200-1300 stupnju. Glavne radne karakteristike kubičnog bor nitrida su sljedeće.
① Visoka tvrdoća i otpornost na trošenje: kristalna struktura CBN-a slična je onoj dijamanta, a ima sličnu tvrdoću i snagu kao dijamant. PCBN je posebno prikladan za obradu materijala visoke tvrdoće koji su se prije mogli samo brusiti i može postići bolju kvalitetu površine obratka.
② Visoka toplinska stabilnost: otpornost CBN-a na toplinu može doseći 1400-1500 stupanj, što je gotovo 1 puta više od otpornosti dijamanta (700-800 stupanj). PCBN alati mogu rezati visokotemperaturne legure i kaljeni čelik brzinom 3-5 puta većom od brzine alata od karbida.
③ Izvrsna kemijska stabilnost: ne reagira kemijski sa željeznim materijalima na 1200-1300 stupnju i neće se trošiti tako oštro kao dijamant. U to vrijeme još uvijek može održavati tvrdoću karbida; PCBN alati prikladni su za rezanje dijelova od kaljenog čelika i ohlađenog lijevanog željeza, a mogu se široko koristiti u brzom rezanju lijevanog željeza.
④ Dobra toplinska vodljivost: iako toplinska vodljivost CBN-a ne može dostići dijamant, među svim vrstama alatnih materijala, toplinska vodljivost PCBN-a je druga iza dijamanta, a 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 poboljšane kvalitete površine tijekom rezanja.
(3) Primjena alata od kubičnog bor nitrida
Kubični borov nitrid prikladan je za završnu obradu različitih materijala koji se teško režu kao što su kaljeni čelik, tvrdo lijevano željezo, visokotemperaturne legure, cementni karbid, materijali za površinsko prskanje, itd. Točnost obrade može doseći IT5 (IT6 za rupe) i vrijednost površinske hrapavosti može biti mala kao Ra1.25~0.20μm.
Kubični bor nitrid alatni materijali imaju slabu žilavost i čvrstoću na savijanje. Stoga, alati za tokarenje kubičnog bor nitrida nisu prikladni za grubu obradu pri maloj brzini i s velikim udarnim opterećenjem; u isto vrijeme, nisu prikladni za rezanje materijala visoke plastičnosti (kao što su aluminijske legure, legure bakra, legure na bazi nikla, čelika visoke plastičnosti, itd.), jer će pri rezanju ovih metala doći do ozbiljnog nakupljenog ruba nastati, što će oštetiti strojno obrađenu površinu.
3. Vrste, svojstva i karakteristike keramičkih alatnih materijala i primjena alata
Keramički alati imaju značajke visoke tvrdoće, dobre otpornosti na habanje, izvrsne toplinske otpornosti i kemijske stabilnosti te ih nije lako spojiti s metalima. Keramički alati zauzimaju vrlo važno mjesto u CNC obradi. Keramički alati postali su jedan od glavnih alata za brzo rezanje i teško obrađenih materijala. Keramički alati imaju široku primjenu u brzom rezanju, suhom rezanju, tvrdom rezanju i rezanju teško obradivih materijala. Keramički alati mogu učinkovito 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 nego kod alata od cementnog karbida, čime se značajno poboljšava učinkovitost proizvodnje rezanja; glavne sirovine koje se koriste u materijalima za keramičke alate su najzastupljeniji elementi u zemljinoj kori. Stoga je promicanje i primjena keramičkih alata od velike važnosti za poboljšanje produktivnosti, smanjenje troškova obrade i štednju strateških plemenitih metala, a također će uvelike promicati napredak tehnologije rezanja.
(1) Vrste keramičkih alatnih materijala
Materijali za keramičke alate općenito se mogu podijeliti u tri kategorije: keramika na bazi aluminijevog oksida, keramika na bazi silicijevog nitrida i kompozitna keramika na bazi silicijevog nitrida i aluminijevog oksida. Među njima se najviše koriste keramički alatni materijali na bazi aluminijevog oksida i silicijevog nitrida. Performanse keramike na bazi silicijevog nitrida su superiornije od keramike na bazi aluminijevog oksida.
(2) Izvedba i karakteristike keramičkih alata
Karakteristike izvedbe keramičkih alata su sljedeće:
① Visoka tvrdoća i dobra otpornost na habanje: Iako tvrdoća keramičkih alata nije visoka kao kod PCD i PCBN, mnogo je veća od tvrdoće od cementnog karbida i alata od brzoreznog čelika, dostižući 93~95HRA. Keramički alati mogu obraditi materijale visoke tvrdoće koje je teško obraditi tradicionalnim alatima, a pogodni su za rezanje velikom brzinom i tvrdo rezanje.
② Otpornost na visoke temperature i dobra otpornost na toplinu: keramički alati još uvijek mogu rezati na visokim temperaturama iznad 1200 stupnjeva. Keramički alati imaju izvrsna mehanička svojstva pri visokim temperaturama. Al2O3 keramički alati imaju posebno dobru otpornost na oksidaciju. Rezna oštrica se može koristiti kontinuirano čak iu užarenom stanju. Stoga keramički alati mogu postići suho rezanje, čime se eliminira potreba za tekućinom za rezanje.
③ Dobra kemijska stabilnost: Keramičke alate nije lako spojiti s metalima, otporni su na koroziju i kemijski su stabilni, što može smanjiti trošenje alata pri spajanju.
④ Niski koeficijent trenja: Keramički alati imaju nizak afinitet s 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 prikladni su za rezanje različitih lijevanih željeza (sivi lijev, nodularni lijev, temperasti lijev, ohlađeni lijev, visokolegirani lijev otporan na habanje) i čelika (ugljični konstrukcijski čelik, legirani konstrukcijski čelik, čelik visoke čvrstoće, čelik s visokim udjelom mangana, kaljeni čelik, itd.), a također se može koristiti za rezanje bakrenih legura, grafita, inženjerske plastike i kompozitnih materijala.
Keramički alatni materijali imaju probleme niske čvrstoće na savijanje i niske udarne žilavosti, te nisu prikladni za rezanje pri maloj brzini i udarnom opterećenju.
4. Djelotvornost i karakteristike presvučenih alatnih materijala i primjena alata
Premazivanje alata je jedan od važnih načina poboljšanja performansi alata. Pojava obloženih alata napravila je veliki napredak u reznim performansama alata. Alati s premazom izrađuju se nanošenjem jednog ili više slojeva vatrostalnih spojeva s dobrom otpornošću na trošenje na čvrsto tijelo alata. Oni kombiniraju podlogu alata s tvrdim premazom, čime se uvelike poboljšava izvedba alata. Alati s premazom mogu poboljšati učinkovitost obrade, poboljšati točnost obrade, produljiti vijek trajanja alata i smanjiti troškove obrade.
Otprilike 80% alata za rezanje koji se koriste u novim CNC alatnim strojevima koriste presvučene alate. Alati s premazom će u budućnosti biti najvažnija vrsta alata u području CNC obrade.
(1) Vrste alata s premazom
Ovisno o metodi premazivanja, alati s premazom mogu se podijeliti na alate s premazom kemijskim taloženjem (CVD) i alate s premazom fizičkim taloženjem (PVD). Alati od presvučenog karbida općenito koriste kemijsko taloženje iz pare, a temperatura taloženja je oko 1000 stupnjeva. Alati s premazom od brzoreznog čelika općenito koriste fizičko taloženje iz pare, a temperatura taloženja je oko 500 stupnjeva.
Prema različitim osnovnim materijalima alata s premazom, alati s premazom mogu se podijeliti na alate s premazom od karbida, alate s premazom od brzoreznog čelika i alate s premazom na keramici i supertvrdim materijalima (dijamant i kubični borov nitrid).
Prema svojstvima materijala za premazivanje, alati s premazom mogu se podijeliti u dvije kategorije, naime alati s "tvrdim" premazom i alati s "mekim" premazom. Glavni cilj alata s "tvrdim" premazom je visoka tvrdoća i otpornost na habanje. Njegove glavne prednosti su visoka tvrdoća i dobra otpornost na habanje. Tipične su prevlake TiC i TiN. Cilj alata s "mekim" premazom je nizak koeficijent trenja, također poznat kao samopodmazujući alat. Njegov koeficijent trenja s 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 premazom. Ova vrsta premazanog alata može koristiti različite kombinacije različitih materijala za premazivanje (kao što su metal/metal, metal/keramika, keramika/keramika, itd.) kako bi se zadovoljili različiti funkcionalni i radni zahtjevi. Razumno dizajnirani nano-premazi mogu učiniti da materijali alata imaju izvrsne funkcije protiv trenja i habanja i svojstva samopodmazivanja, koja su prikladna za suho rezanje velikom brzinom.
(2) Karakteristike alata s premazom
Karakteristike rada premazanih alata su sljedeće:
① Dobra mehanička i rezna izvedba: Alati s premazom kombiniraju izvrsna svojstva osnovnog materijala i materijala premaza, održavajući dobru žilavost i visoku čvrstoću osnovnog materijala, a istovremeno imaju visoku tvrdoću, visoku otpornost na trošenje i nizak koeficijent trenja premaza. . Stoga se brzina rezanja alata s premazom može povećati više od 2 puta u usporedbi s alatima bez premaza, a dopuštena je veća brzina posmaka. Životni vijek premazanih alata također je poboljšan.
② Velika svestranost: Alati s premazom imaju široku svestranost i značajno proširuju raspon obrade. Jedan alat s premazom može zamijeniti nekoliko alata bez premaza.
③ Debljina premaza: vijek trajanja alata će se povećati s povećanjem debljine premaza, ali kada debljina premaza dosegne zasićenost, vijek trajanja alata više se neće značajno povećati. Kada je premaz predebeo, lako je izazvati ljuštenje; kada je premaz pretanak, otpornost na trošenje je loša.
④ Ponovno brušenje: Ponovno brušenje presvučenih oštrica je loše, oprema za premazivanje je složena, procesni zahtjevi su visoki, a vrijeme premazivanja je dugo.
⑤ Materijal premaza: Alati s različitim materijalima premaza imaju različit učinak rezanja. Na primjer: TiC premaz ima prednost pri rezanju malim brzinama; TiN je prikladniji za rezanje velikom brzinom.
(3) Primjena alata s premazom
Alati s premazom imaju veliki potencijal u području CNC obrade i bit će najvažnija vrsta alata u području CNC obrade u budućnosti. Tehnologija premazivanja primijenjena je na glodala, razvrtala, svrdla, složene alate za obradu rupa, ploče za kuhanje zupčanika, rezače za oblikovanje zupčanika, rezače za oštrenje zupčanika, plohe za oblikovanje i razne izmjenjive pločice koje se montiraju na stroj kako bi se zadovoljile potrebe brzog rezanja raznih čelika i lijevano željezo, legure otporne na toplinu i obojeni metali.
5. Vrste, svojstva, karakteristike i primjena alatnih materijala od tvrdog metala
Alati od tvrdog metala, posebno alati od tvrdog metala koji se mogu indeksirati, vodeći su proizvodi CNC alata za obradu. Od 1980-ih, razne vrste integralnih i indeksiranih alata ili oštrica od cementnog karbida proširene su na različita polja alata za rezanje. Među njima, izmjenjivi alati od tvrdog metala proširili su se od jednostavnih alata za tokarenje i čeonih glodala do raznih preciznih, složenih polja alata za oblikovanje.
(1) Vrste alata od tvrdog metala
Prema glavnom kemijskom sastavu, cementni karbid se može podijeliti na cementni karbid na bazi volframovog karbida i cementni karbid na bazi titanijevog karbida (nitrida) (TiC (N)).
Cementirani karbid na bazi volfram karbida uključuje tri vrste: tip volfram kobalt (YG), tip volfram kobalt titan (YT) i tip s dodanim rijetkim karbidom (YW). Svaki od njih ima svoje prednosti i nedostatke. Glavne komponente su volframov karbid (WC), titanijev karbid (TiC), tantalov karbid (TaC), niobijev karbid (NbC), itd. Često korištena faza metalnog vezivanja je Co.
Cementirani karbid na bazi titanijevog karbida (nitrida) je cementni karbid s TiC kao glavnom komponentom (neki imaju dodane druge karbide ili nitride), a najčešće korištene faze metalnog veziva su Mo i Ni.
ISO (Međunarodna organizacija za standardizaciju) dijeli rezanje cementnog karbida u tri kategorije:
K kategorija, uključujući Kl0~K40, ekvivalent YG kategoriji moje zemlje (glavna komponenta je WC-Co).
P kategorija, uključujući P01~P50, ekvivalent YT kategoriji moje zemlje (glavna komponenta je WC-TiC-Co).
M kategorija, uključujući M10~M40, ekvivalent YW kategoriji moje zemlje (glavna komponenta je WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Svaka marka predstavljena je brojem između 01 i 50 koji predstavlja niz legura od visoke tvrdoće do maksimalne žilavosti.
(2) Radna svojstva alata od tvrdog metala
Karakteristike rada alata od cementnog karbida su sljedeće:
① Visoka tvrdoća: alati od cementnog karbida izrađeni su od karbida (koji se nazivaju tvrda faza) visoke tvrdoće i tališta i metalnog veziva (koji se naziva faza vezivanja) kroz metalurgiju praha. Njihova tvrdoća doseže 89-93HRA, što je puno više od tvrdoće brzoreznog čelika. Na 5400 stupnjeva, tvrdoća još uvijek može doseći 82-87HRA, što je isto kao tvrdoća brzoreznog čelika na sobnoj temperaturi (83-86HRA). Vrijednost tvrdoće cementiranog karbida varira s prirodom, količinom, veličinom čestica i sadržajem metalne vezne faze karbida, a općenito se smanjuje s povećanjem udjela vezne metalne faze. Kada je sadržaj vezne faze isti, tvrdoća YT legure veća je od one YG legure, a legura s dodatkom TaC (NbC) ima veću tvrdoću na visokim temperaturama.
② Čvrstoća na savijanje i žilavost: čvrstoća na savijanje obično korištenog cementnog karbida je u rasponu od 900-1500MPa. Što je veći sadržaj metalne vezne faze, to je veća čvrstoća na savijanje. Kada je sadržaj veziva isti, čvrstoća legure tipa YG (WC-Co) veća je od legure tipa YT (WC-TiC-Co), a čvrstoća opada s povećanjem sadržaja TiC. Cementirani karbid je krhki materijal, a njegova udarna žilavost na sobnoj temperaturi iznosi samo 1/30 do 1/8 otpornosti brzoreznog čelika.
(3) Primjena uobičajenih alata od tvrdog metala
Legure tipa YG uglavnom se koriste za obradu lijevanog željeza, obojenih metala i nemetalnih materijala. Fino zrnati cementni karbid (kao što je YG3X, YG6X) ima veću tvrdoću i otpornost na habanje od srednje zrnatog kada je sadržaj kobalta isti. Pogodan je za obradu nekog posebnog tvrdog lijevanog željeza, austenitnog nehrđajućeg čelika, legura otpornih na toplinu, legura titana, tvrde bronce i izolacijskih materijala otpornih na habanje.
Izvanredne prednosti YT tipa cementnog karbida su visoka tvrdoća, dobra otpornost na toplinu, veća tvrdoća i tlačna čvrstoća na visokoj temperaturi od YG tipa i dobra otpornost na oksidaciju. Stoga, kada se od alata zahtijeva veća otpornost na toplinu i otpornost na trošenje, treba odabrati kvalitetu s višim sadržajem TiC. YT legure su prikladne za obradu plastičnih materijala kao što je čelik, ali ne i za obradu legura titana i silicij aluminijskih legura.
YW legure imaju svojstva i YG i YT legura i imaju dobra sveobuhvatna svojstva. Mogu se koristiti za obradu čelika, lijevanog željeza i obojenih metala. Ako se sadržaj kobalta u ovoj vrsti legure odgovarajuće poveća, čvrstoća može biti vrlo visoka i može se koristiti za grubu obradu i isprekidano rezanje raznih materijala koji se teško obrađuju.
6. Vrste, karakteristike i primjena alata od brzoreznog čelika
Brzorezni čelik (HSS) visoko je legirani alatni čelik s velikom količinom legiranih elemenata kao što su W, Mo, Cr i V. Alati od brzoreznog čelika imaju izvrsne sveobuhvatne performanse u smislu čvrstoće, žilavosti i obradivosti . Brzorezni čelik još uvijek zauzima glavnu poziciju u složenim alatima, posebno u proizvodnji alata za obradu rupa, glodala, alata za narezivanje navoja, probijača, alata za rezanje zupčanika i drugih alata sa složenim oblicima oštrica. Alati od brzoreznog čelika lako se oštre oštricu.
Prema različitim namjenama, brzorezni čelik može se podijeliti na općenamjenski brzorezni čelik i visokoučinkoviti brzorezni čelik.
(1) Alati od brzoreznog čelika opće namjene
Brzorezni čelik opće namjene. Općenito, 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 čelik od volframa koji sadrži 12% ili 18% W, čelik od volfram-molibdena koji sadrži 6% ili 8% W i čelik od molibdena koji sadrži 2% ili nimalo W. Opća namjena brzorezni čelik ima određenu tvrdoću (63-66HRC) i otpornost na trošenje, visoku čvrstoću i žilavost, dobru plastičnost i tehnologiju obrade, pa se široko koristi u izradi raznih složenih alata.
① Volfram čelik: Tipična klasa volframovog čelika opće namjene za velike brzine je W18Cr4V (skraćeno W18), koji ima dobre sveobuhvatne performanse. Visokotemperaturna tvrdoća na 6000 stupnjeva je 48,5 HRC, što se može koristiti za proizvodnju raznih složenih alata. Prednosti su mu dobra sposobnost mljevenja i niska osjetljivost na dekarburizaciju, ali zbog visokog sadržaja karbida, neravnomjerne raspodjele, velikih čestica, niske čvrstoće i žilavosti.
② Volfram-molibden čelik: odnosi se na brzorezni čelik dobiven zamjenom dijela volframa u volfram čeliku molibdenom. Tipična klasa volfram-molibden čelika je W6Mo5Cr4V2 (skraćeno kao M2). Čestice karbida M2 su fine i ujednačene, a njegova čvrstoća, žilavost i plastičnost pri visokim temperaturama bolji su od W18Cr4V. Još jedan volfram-molibden čelik je W9Mo3Cr4V (skraćeno W9), koji ima nešto veću toplinsku stabilnost od čelika M2, bolju čvrstoću na savijanje i žilavost od W6M05Cr4V2, te ima dobru obradivost.
(2) Alati od brzoreznog čelika visokih performansi
Brzorezni čelik visokih performansi odnosi se na novu vrstu čelika koji dodaje određeni sadržaj ugljika, sadržaj vanadija i legirajuće elemente kao što su Co i Al općem sastavu brzoreznog čelika, čime se poboljšava njegova otpornost na toplinu i otpornost na trošenje. Uglavnom postoje sljedeće kategorije:
① Brzorezni čelik s visokim udjelom ugljika. Brzorezni čelik s visokim udjelom ugljika (kao što je 95W18Cr4V) ima visoku tvrdoću na sobnoj i visokoj temperaturi. Pogodan je za izradu alata za obradu običnog čelika i lijevanog željeza, svrdla, razvrtala, nareznica i glodala s visokim zahtjevima otpornosti na habanje ili za obradu tvrđih materijala. Nije prikladan za velike udare.
② Brzorezni čelik s visokim udjelom vanadija. Tipične vrste, kao što je W12Cr4V4Mo (skraćeno EV4), sadrže 3% ~ 5% V, imaju dobru otpornost na habanje i prikladne su za rezanje materijala koji su izuzetno skloni habanju alata, kao što su vlakna, tvrda guma, plastika itd. Također se može koristiti za obradu nehrđajućeg čelika, čelika visoke čvrstoće i legura za visoke temperature.
③ Brzorezni čelik od kobalta. To je supertvrdi brzorezni čelik koji sadrži kobalt. Tipični razredi, kao što je W2Mo9Cr4VCo8 (skraćeno kao M42), imaju visoku tvrdoću, a njegova tvrdoća može doseći 69~70HRC. Pogodan je za obradu materijala koji se teško obrađuju kao što su čelik visoke čvrstoće otporan na toplinu, legure za visoke temperature, legure titana itd. M42 ima dobru sposobnost brušenja i prikladan je za izradu preciznih i složenih alata, ali nije prikladan za rad u uvjetima udarnog rezanja.
④ Aluminijski brzorezni čelik. To je supertvrdi brzorezni čelik koji sadrži aluminij. Tipične kvalitete uključuju W6Mo5Cr4V2Al (skraćeno kao 501). Njegova visokotemperaturna tvrdoća na 6000 stupnjeva također doseže 54HRC. Njegov učinak rezanja je ekvivalentan M42. Pogodan je za proizvodnju glodala, svrdla, razvrtala, glodala za zupčanike, broševa itd. Koristi se za obradu legiranog čelika, nehrđajućeg čelika, čelika visoke čvrstoće i legura za visoke temperature.
⑤ Dušikov supertvrdi brzorezni čelik. Tipične kvalitete uključuju W12M03Cr4V3N (skraćeno kao (V3N). To je supertvrdi brzorezni čelik koji sadrži dušik. Njegova tvrdoća, čvrstoća i žilavost ekvivalentni su M42. Može se koristiti kao zamjena za brzorezni čelik koji sadrži kobalt čelika i koristi se za sporo rezanje teško obradivih materijala i sporu visokopreciznu obradu.
(3) Taljenje brzoreznog čelika i brzoreznog čelika za metalurgiju praha
Prema različitim proizvodnim procesima, brzorezni čelik može se podijeliti na brzorezni čelik za topljenje i brzorezni čelik za metalurgiju praha.
① Taljenje brzoreznog čelika: Obični brzorezni čelik i visokoučinkoviti brzorezni čelik proizvode se metodama taljenja. Izrađuju se u alate za rezanje kroz procese kao što su taljenje, lijevanje ingota te oplata i valjanje. Ozbiljan problem koji se lako javlja kod taljenja brzoreznog čelika je segregacija karbida. Tvrdi i lomljivi karbidi neravnomjerno su raspoređeni u brzoreznom čeliku, a zrna su gruba (do desetaka mikrona), što negativno utječe na otpornost na habanje, žilavost i učinak rezanja alata od brzoreznog čelika.
② Brzorezni čelik iz metalurgije praha (PM HSS): Brzorezni čelik iz metalurgije praha (PM HSS) tekući je čelik otopljen u visokofrekventnoj indukcijskoj peći, koji se raspršuje argonom pod visokim pritiskom ili čistim dušikom, a zatim brzo ohlađen da se dobije fina i jednolika kristalna struktura (prah brzoreznog čelika). Dobiveni prah se zatim pod visokom temperaturom i visokim tlakom preša u sirovi nož, ili se najprije izrađuje u čelični uzorak, a zatim kuje i valja u oblik alata. U usporedbi s brzoreznim čelikom proizvedenim metodom taljenja, PM HSS ima prednosti finih i ujednačenih karbidnih zrna te mnogo veću čvrstoću, žilavost i otpornost na habanje od taljenja brzoreznog čelika. U području složenih CNC alata, PM HSS alati će se dalje razvijati i zauzeti značajno mjesto. Tipične kvalitete, kao što su F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN, itd., mogu se koristiti za proizvodnju velikih, teško opterećenih i visoko udarnih alata za rezanje, a također se mogu koristiti za proizvodnju preciznih alati za rezanje.
Principi odabira materijala CNC alata
Trenutno naširoko korišteni materijali za CNC alate uglavnom uključuju dijamantne alate, alate od kubičnog bor nitrida, keramičke alate, alate s premazom, alate od karbida i alate od brzoreznog čelika. Postoje mnoge vrste alatnih materijala, a njihova se izvedba uvelike razlikuje. Glavni pokazatelji učinkovitosti različitih materijala alata prikazani su u sljedećoj tablici.
Materijali alata za CNC obradu moraju se odabrati u skladu s obratkom koji se obrađuje i prirodom obrade. Odabir materijala alata treba razumno uskladiti s predmetom obrade. Usklađivanje materijala alata za rezanje i predmeta obrade uglavnom se odnosi na usklađivanje mehaničkih svojstava, fizikalnih svojstava i kemijskih svojstava ta dva kako bi se dobio 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 obradnih predmeta uglavnom se odnosi na usklađivanje parametara mehaničkih svojstava kao što su čvrstoća, žilavost i tvrdoća materijala alata i obratka. Alatni materijali s različitim mehaničkim svojstvima prikladni su za obradu različitih materijala obratka.
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 od dijamanta i kubičnog nitrida bora.
③ The order of toughness of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide>kubni bor nitrid, dijamantni i keramički alat.
Materijali izradaka visoke tvrdoće moraju se obrađivati alatima veće tvrdoće. Tvrdoća materijala alata mora biti veća od tvrdoće materijala obratka, općenito se zahtijeva da bude iznad 60HRC. Što je veća tvrdoća materijala alata, to je njegova otpornost na habanje bolja. Na primjer, kada se sadržaj kobalta u cementnom karbidu povećava, njegova čvrstoća i žilavost se povećavaju, a tvrdoća se smanjuje, što je pogodno za grubu obradu; kada se sadržaj kobalta smanji, njegova tvrdoća i otpornost na trošenje se povećavaju, što je pogodno za finu obradu.
Alati s izvrsnim mehaničkim svojstvima pri visokim temperaturama posebno su prikladni za rezanje velikom brzinom. Izvrsne performanse keramičkih alata pri visokim temperaturama omogućuju im rezanje pri velikim brzinama, a dopuštena brzina rezanja može se povećati za 2 do 10 puta u usporedbi s cementnim karbidom.
2. Usklađivanje fizikalnih svojstava materijala reznog alata s predmetima obrade
Za obrada različitih materijala izradaka. Pri obradi izradaka s lošom toplinskom vodljivošću treba koristiti alatne materijale s boljom toplinskom vodljivošću kako bi se omogućio brzi prijenos topline rezanja i smanjila temperatura rezanja. Dijamant ima visoku toplinsku vodljivost i toplinsku difuziju, tako da se toplina rezanja može lako raspršiti bez uzrokovanja velikih toplinskih deformacija, što je osobito važno za alate za preciznu obradu s visokim zahtjevima za preciznošću dimenzija.
① Temperatura otpornosti na toplinu različitih materijala alata: 700-8000 stupnjeva za dijamantne alate, 13000-15000 stupnjeva za PCBN alate, 1100-12000 stupnjeva za keramičke alate, 900-11000 stupnjeva za TiC(N) na bazi cementnog karbida, 800-9000 stupanj za ultrafino zrnati cementni karbid na bazi WC-a i 600-7000 stupanj 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 Al2O3-.
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 Al2O3-.
3. Usklađivanje kemijskih svojstava materijala alata za rezanje i predmeta obrade
Problem usklađivanja kemijskih svojstava materijala alata za rezanje i predmeta obrade uglavnom se odnosi na parametre kemijske učinkovitosti kao što su kemijski afinitet, kemijska reakcija, difuzija i otapanje materijala alata i materijala obratka. Alati od različitih materijala prikladni 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 CNC alata
Općenito govoreći, PCBN, keramički alati, alati od tvrdog metala s premazom i karbida na bazi TiCN-a prikladni su za CNC obradu željeznih metala kao što je čelik; dok su PCD alati prikladni za obradu materijala od obojenih metala kao što su Al, Mg, Cu i njihovih legura te nemetalnih materijala. Sljedeća tablica prikazuje neke materijale izratka prikladne za obradu različitim materijalima alata.