1. Grundläggande egenskaper som verktygsmaterial ska ha
Valet av verktygsmaterial har stor inverkan på verktygets livslängd, bearbetningseffektivitet, bearbetningskvalitet och bearbetningskostnad. Vid skärning måste verktyg tåla högt tryck, hög temperatur, friktion, stötar och vibrationer. Därför bör verktygsmaterial ha följande grundläggande egenskaper:
(1) Hårdhet och slitstyrka. Hårdheten på verktygsmaterialet måste vara högre än hårdheten hos arbetsstycket, vilket vanligtvis krävs för att vara över 60HRC. Ju högre hårdhet verktygsmaterialet har, desto bättre slitstyrka.
(2) Styrka och seghet. Verktygsmaterialet bör ha hög hållfasthet och seghet för att motstå skärkraft, stötar och vibrationer och förhindra spröda brott och flisning av verktyget.
(3) Värmebeständighet. Verktygsmaterialet ska ha god värmebeständighet, tåla höga skärtemperaturer och ha god antioxidantförmåga.
(4) Processprestanda och ekonomi. Verktygsmaterialet bör ha bra smidesprestanda, värmebehandlingsprestanda, svetsprestanda; slipprestanda, etc., och bör eftersträva ett högt förhållande mellan prestanda och pris.
2. Typer, prestanda, egenskaper och tillämpningar av verktygsmaterial
1. Typer, egenskaper och egenskaper hos diamantverktygsmaterial och verktygstillämpningar
Diamant är en allotrop av kol och är det hårdaste materialet som finns i naturen. Diamantverktyg har hög hårdhet, hög slitstyrka och hög värmeledningsförmåga och används i stor utsträckning vid bearbetning av icke-järnmetaller och icke-metalliska material. Särskilt vid höghastighetsskärning av aluminium och kiselaluminiumlegeringar är diamantverktyg den huvudsakliga skärverktygsvarianten som är svår att ersätta. Diamantverktyg som kan uppnå hög effektivitet, hög stabilitet och lång livslängd bearbetning är ett oumbärligt och viktigt verktyg i modern CNC-bearbetning.
1) Typer av diamantverktyg
① Naturliga diamantverktyg: Naturlig diamant har använts som skärverktyg i hundratals år. Efter finslipning kan det naturliga enkristalldiamantverktyget vara extremt skarpt, med en skäreggsradie på upp till 0.002 μm, vilket kan uppnå ultratunn skärning och kan bearbeta extremt hög precision i arbetsstycket och extremt låg yta grovhet. Det är ett erkänt, idealiskt och oersättligt bearbetningsverktyg med ultraprecision.
② PCD-diamantverktyg: Naturlig diamant är dyr, och den mest använda diamanten för skärning är polykristallin diamant (PCD). Sedan början av 1970-talet, efter den framgångsrika utvecklingen av polykristallina diamantblad (Polycrystauine diamant, kallad PCD) framställda av högtemperatur- och högtryckssyntesteknik, har naturliga diamantverktyg ersatts av konstgjord polykristallin diamant vid många tillfällen. PCD-råmaterial är rikligt, och priset är bara några tiondelar till ett dussin naturlig diamant.
PCD-verktyg kan inte slipa extremt vassa kanter, och ytkvaliteten på det bearbetade arbetsstycket är inte lika bra som naturlig diamant. I dagsläget är det inte lätt att tillverka PCD-blad med spånbrytare i branschen. Därför kan PCD endast användas för precisionsskärning av icke-järnmetaller och icke-metaller, och det är svårt att uppnå ultraprecision spegelskärning.
③ CVD-diamantverktyg: CVD-diamantteknologi har dykt upp i Japan sedan slutet av 1970-talet och början av 1980-talet. CVD-diamant hänvisar till syntesen av diamantfilm på ett heterogent substrat (såsom hårdmetall, keramik, etc.) genom kemisk ångavsättning (CVD). CVD diamant har samma struktur och egenskaper som naturlig diamant.
Prestanda för CVD-diamanter är mycket nära den för naturlig diamant. Den har fördelarna med naturlig enkristalldiamant och polykristallin diamant (PCD), och övervinner i viss mån deras brister.
(2) Prestandaegenskaper hos diamantverktyg
① Extremt hög hårdhet och slitstyrka: Naturlig diamant är det hårdaste ämnet som finns i naturen. Diamant har extremt hög slitstyrka. Vid bearbetning av material med hög hårdhet är livslängden för diamantverktyg 10 till 100 gånger den för hårdmetallverktyg, eller till och med upp till flera hundra gånger.
② Mycket låg friktionskoefficient: Friktionskoefficienten mellan diamant och vissa icke-järnmetaller är lägre än för andra verktyg. Låg friktionskoefficient innebär mindre deformation under bearbetningen, vilket kan minska skärkraften.
③ Mycket skarp skäregg: Skäreggen på diamantverktyg kan slipas mycket skarpt. Naturliga enkristalldiamantverktyg kan vara så skarpa som 0.002-0.008 μm, som kan utföra ultratunn skärning och ultraprecisionsbearbetning.
④ Mycket hög värmeledningsförmåga: Diamant har hög värmeledningsförmåga och termisk diffusivitet, skärvärme är lätt att avleda och temperaturen på skärdelen av verktyget är låg.
⑤ Låg termisk expansionskoefficient: Diamantens termiska expansionskoefficient är flera gånger mindre än den för hårdmetall, och förändringen i verktygsstorlek som orsakas av skärvärme är mycket liten, vilket är särskilt viktigt för precision och ultraprecisionsbearbetning med högdimensionell noggrannhetskrav.
(3) Användning av diamantverktyg
Diamantverktyg används mest för finskärning och borrning av icke-järnmetaller och icke-metalliska material vid höga hastigheter. Lämplig för bearbetning av olika slitstarka icke-metaller, såsom glasfiberförstärkta plastpulvermetallurgiämnen, keramiska material, etc.; olika slitstarka icke-järnmetaller, såsom olika kiselaluminiumlegeringar; olika ytbehandling av icke-järnmetaller.
Nackdelen med diamantverktyg är att de har dålig termisk stabilitet. När skärtemperaturen överstiger 700 grader ~ 800 grader kommer de helt att förlora sin hårdhet; dessutom är de inte lämpliga för skärning av järnmetaller, eftersom diamant (kol) lätt reagerar med järnatomer vid höga temperaturer, omvandlar kolatomer till grafitstrukturer och verktygen skadas lätt.
2. Typer, egenskaper och egenskaper hos verktygsmaterial och verktygstillämpningar för kubisk bornitrid
Kubisk bornitrid (CBN), ett andra superhårt material syntetiserat med en metod som liknar diamanttillverkningsmetoden, är näst efter diamant i hårdhet och värmeledningsförmåga. Den har utmärkt termisk stabilitet och oxiderar inte när den värms upp till 10,000 grader i atmosfären. CBN har extremt stabila kemiska egenskaper för järnmetaller och kan användas i stor utsträckning vid bearbetning av stålprodukter.
(1) Typer av verktyg för kubisk bornitrid
Kubisk bornitrid (CBN) är ett ämne som inte finns i naturen. Den kan delas in i enkristallin och polykristallin, nämligen CBN-enkristallin och polykristallin kubisk bornitrid (kortat PCBN). CBN är en av allotroperna av bornitrid (BN) och har en struktur som liknar diamant.
PCBN (polykristallin kubisk bornitrid) är ett polykristallint material som tillverkas genom att sintra ihop fina CBN-material genom en bindningsfas (TiC, TiN, Al, Ti, etc.) under hög temperatur och högt tryck. Det är för närvarande verktygsmaterialet med hårdheten näst efter diamant som syntetiseras på konstgjord väg. Det och diamant kallas tillsammans för superhårda verktygsmaterial. PCBN används främst för att tillverka verktyg eller andra verktyg.
PCBN-verktyg kan delas in i inbyggda PCBN-blad och PCBN-kompositblad sintrade med hårdmetall.
PCBN kompositblad tillverkas genom att sintra ett lager av {{0}}.5-1,0 mm tjockt PCBN på en hårdmetall med god hållfasthet och seghet. Dess prestanda kombinerar god seghet med hög hårdhet och slitstyrka. Det löser problemen med låg böjhållfasthet och svår svetsning av CBN-blad.
(2) Huvudegenskaper och egenskaper hos kubisk bornitrid
Även om hårdheten för kubisk bornitrid är något lägre än för diamant, är den mycket högre än andra material med hög hårdhet. Den enastående fördelen med CBN är att dess termiska stabilitet är mycket högre än för diamant, som kan nå över 1200 grader (diamant är 700-800 grader). En annan enastående fördel är att den är kemiskt inert och inte reagerar kemiskt med järn vid 1200-1300 grad. De huvudsakliga prestandaegenskaperna för kubisk bornitrid är följande.
① Hög hårdhet och slitstyrka: Kristallstrukturen hos CBN liknar diamantens, och den har liknande hårdhet och styrka som diamant. PCBN är särskilt lämplig för bearbetning av material med hög hårdhet som endast kunde slipas tidigare, och som kan få bättre ytkvalitet på arbetsstycket.
② Hög termisk stabilitet: CBN:s värmebeständighet kan nå 1400-1500 grad, vilket är nästan 1 gånger högre än för diamant (700-800 grad). PCBN-verktyg kan skära högtemperaturlegeringar och härdat stål med en hastighet 3-5 gånger högre än den för hårdmetallverktyg.
③ Utmärkt kemisk stabilitet: Den reagerar inte kemiskt med järnmaterial vid 1200-1300 grader och kommer inte att slitas lika skarpt som diamant. Vid denna tidpunkt kan den fortfarande bibehålla hårdheten hos karbid; PCBN-verktyg är lämpliga för skärning av härdade ståldelar och kylt gjutjärn, och kan användas i stor utsträckning vid höghastighetsskärning av gjutjärn.
④ Bra värmeledningsförmåga: Även om CBN:s värmeledningsförmåga inte kan komma ikapp med diamant, bland alla typer av verktygsmaterial, är PCBN:s värmeledningsförmåga näst efter diamant och är mycket högre än höghastighetstål och hårdmetall.
⑤ Låg friktionskoefficient: Låg friktionskoefficient kan leda till minskad skärkraft, lägre skärtemperatur och förbättrad ytkvalitet under skärning.
(3) Applicering av verktyg för kubisk bornitrid
Kubisk bornitrid lämpar sig för bearbetning av olika svårklippta material såsom härdat stål, hårt gjutjärn, högtemperaturlegering, hårdmetall, ytspraymaterial etc. Bearbetningsnoggrannheten kan nå IT5 (IT6 för hål), och värdet för ytjämnheten kan vara så litet som Ra1,25~0.20μm.
Verktygsmaterial för kubisk bornitrid har dålig seghet och böjhållfasthet. Därför är svarvverktyg av kubisk bornitrid inte lämpliga för grov bearbetning vid låg hastighet och med hög slagbelastning; samtidigt är de inte lämpliga för att skära material med hög plasticitet (såsom aluminiumlegering, kopparlegering, nickelbaserad legering, stål med hög plasticitet etc.), eftersom vid skärning av dessa metaller kommer allvarliga uppbyggda eggar att genereras, vilket kommer att försämra den bearbetade ytan.
3. Typer, egenskaper och egenskaper hos keramiska verktygsmaterial och verktygstillämpningar
Keramiska verktyg har egenskaperna hög hårdhet, god slitstyrka, utmärkt värmebeständighet och kemisk stabilitet och är inte lätta att binda med metaller. Keramiska verktyg intar en mycket viktig position inom CNC-bearbetning. Keramiska verktyg har blivit ett av huvudverktygen för höghastighetsskärning och svårbearbetade material. Keramiska verktyg används i stor utsträckning vid höghastighetsskärning, torrskärning, hård skärning och skärning av svårbearbetade material. Keramiska verktyg kan effektivt bearbeta höghårda material som traditionella verktyg inte alls kan bearbeta, och inse "svarvning istället för slipning"; den optimala skärhastigheten för keramiska verktyg kan vara 2 till 10 gånger högre än den för hårdmetallverktyg, vilket avsevärt förbättrar skärproduktionseffektiviteten; de viktigaste råvarorna som används i keramiska verktygsmaterial är de mest förekommande elementen i jordskorpan. Därför är främjandet och tillämpningen av keramiska verktyg av stor betydelse för att förbättra produktiviteten, minska bearbetningskostnaderna och spara strategiska ädelmetaller, och kommer också att i hög grad främja utvecklingen av skärteknik.
(1) Typer av keramiska verktygsmaterial
Keramiska verktygsmaterial kan generellt delas in i tre kategorier: aluminiumoxidbaserad keramik, kiselnitridbaserad keramik och kompositkiselnitrid-aluminiumoxidbaserad keramik. Bland dem är aluminiumoxidbaserade och kiselnitridbaserade keramiska verktygsmaterial de mest använda. Prestandan hos kiselnitridbaserad keramik är överlägsen den hos aluminiumbaserad keramik.
(2) Prestanda och egenskaper hos keramiska verktyg
Prestandaegenskaperna för keramiska verktyg är följande:
① Hög hårdhet och bra slitstyrka: Även om hårdheten hos keramiska verktyg inte är lika hög som för PCD och PCBN, är den mycket högre än hårdmetall- och höghastighetsstålverktyg, och når 93 ~ 95HRA. Keramiska verktyg kan bearbeta material med hög hårdhet som är svåra att bearbeta med traditionella verktyg och är lämpliga för höghastighetsskärning och hård skärning.
② Hög temperaturbeständighet och bra värmebeständighet: Keramiska verktyg kan fortfarande skära vid höga temperaturer över 1200 grader. Keramiska verktyg har utmärkta mekaniska egenskaper vid hög temperatur. Al2O3 keramiska verktyg har särskilt god oxidationsbeständighet. Skäreggen kan användas kontinuerligt även i glödhett tillstånd. Därför kan keramiska verktyg uppnå torrskärning, vilket eliminerar behovet av skärvätska.
③ Bra kemisk stabilitet: Keramiska verktyg är inte lätta att binda med metaller och är korrosionsbeständiga och kemiskt stabila, vilket kan minska bindningsslitaget på verktyg.
④ Låg friktionskoefficient: Keramiska verktyg har låg affinitet med metaller och låg friktionskoefficient, vilket kan minska skärkraften och skärtemperaturen.
(3) Tillämpningar av keramiska verktyg
Keramik är ett av verktygsmaterialen som främst används för höghastighetsfinbearbetning och halvfinish. Keramiska verktyg är lämpliga för skärning av olika gjutjärn (grått gjutjärn, segjärn, formbart gjutjärn, kylt gjutjärn, höglegerat slitstarkt gjutjärn) och stål (kolkonstruktionsstål, legerat konstruktionsstål, höghållfast stål, högmanganstål, kylt stål, etc.), och kan även användas för att skära kopparlegeringar, grafit, teknisk plast och kompositmaterial.
Keramiska verktygsmaterial har problemen med låg böjhållfasthet och dålig slagseghet och är inte lämpliga för skärning under låg hastighet och slagbelastning.
4. Prestanda och egenskaper för belagda verktygsmaterial och applicering av verktyg
Beläggningsverktyg är ett av de viktiga sätten att förbättra verktygets prestanda. Framväxten av belagda verktyg har gjort ett stort genombrott i verktygsskärningsprestanda. Belagda verktyg tillverkas genom att belägga ett eller flera lager av eldfasta föreningar med god slitstyrka på en tuff verktygskropp. De kombinerar verktygssubstratet med en hård beläggning och förbättrar därigenom verktygets prestanda avsevärt. Belagda verktyg kan förbättra bearbetningseffektiviteten, förbättra bearbetningsnoggrannheten, förlänga verktygets livslängd och minska bearbetningskostnaderna.
Cirka 80 % av de skärverktyg som används i nya CNC-verktygsmaskiner använder belagda verktyg. Belagda verktyg kommer att vara den viktigaste verktygsvarianten inom området CNC-bearbetning i framtiden.
(1) Typer av belagda verktyg
Beroende på beläggningsmetoden kan belagda verktyg delas in i kemisk ångavsättning (CVD) belagda verktyg och fysisk ångavsättning (PVD) belagda verktyg. Belagda hårdmetallverktyg använder vanligtvis kemisk ångavsättning, och deponeringstemperaturen är cirka 1000 grader. Belagda höghastighetstålverktyg använder i allmänhet fysisk ångavsättning, och deponeringstemperaturen är cirka 500 grader.
Beroende på de olika basmaterialen i belagda verktyg kan belagda verktyg delas in i hårdmetallbelagda verktyg, höghastighetstålbelagda verktyg och belagda verktyg på keramik och superhårda material (diamant och kubisk bornitrid).
Enligt egenskaperna hos beläggningsmaterialen kan belagda verktyg delas in i två kategorier, nämligen "hårda" belagda verktyg och "mjuka" belagda verktyg. Huvudmålet med "hårda" belagda verktyg är hög hårdhet och slitstyrka. Dess främsta fördelar är hög hårdhet och god slitstyrka. Typiska sådana är TiC- och TiN-beläggningar. Målet med "mjuka" belagda verktyg är låg friktionskoefficient, även känd som självsmörjande verktyg. Dess friktionskoefficient med arbetsstyckets material är mycket låg, bara cirka 0.1, vilket kan minska vidhäftningen, minska friktionen och minska skärkraften och skärtemperaturen.
Nyligen har nanobelagda verktyg utvecklats. Denna typ av belagda verktyg kan använda olika kombinationer av olika beläggningsmaterial (som metall/metall, metall/keramik, keramik/keramik, etc.) för att möta olika funktions- och prestandakrav. Rimligt utformade nanobeläggningar kan göra att verktygsmaterial har utmärkta antifriktions- och antinötningsfunktioner och självsmörjande egenskaper, som är lämpliga för höghastighets torrkapning.
(2) Egenskaper för belagda verktyg
Prestandaegenskaperna för belagda verktyg är följande:
① Bra mekanisk och skärande prestanda: Belagda verktyg kombinerar de utmärkta egenskaperna hos basmaterialet och beläggningsmaterialet, upprätthåller den goda segheten och höga hållfastheten hos basmaterialet samtidigt som de har beläggningens höga hårdhet, höga slitstyrka och låga friktionskoefficient. . Därför kan skärhastigheten för belagda verktyg ökas med mer än 2 gånger jämfört med obelagda verktyg, och en högre matningshastighet tillåts. Livslängden för belagda verktyg förbättras också.
② Stark mångsidighet: Belagda verktyg har stor mångsidighet och utökar bearbetningsområdet avsevärt. Ett belagt verktyg kan ersätta flera obelagda verktyg.
③ Beläggningstjocklek: Verktygets livslängd kommer att öka med ökningen av beläggningstjockleken, men när beläggningstjockleken når mättnad kommer verktygslivslängden inte längre att öka nämnvärt. När beläggningen är för tjock är det lätt att orsaka flagning; när beläggningen är för tunn är slitstyrkan dålig.
④ Omslipning: Omslipningen av belagda blad är dålig, beläggningsutrustningen är komplex, processkraven är höga och beläggningstiden är lång.
⑤ Beläggningsmaterial: Verktyg med olika beläggningsmaterial har olika skärprestanda. Till exempel: TiC-beläggning har en fördel vid låghastighetsskärning; TiN är mer lämpligt för höghastighetsskärning.
(3) Applicering av belagda verktyg
Belagda verktyg har stor potential inom området CNC-bearbetning och kommer att vara den viktigaste verktygstypen inom området CNC-bearbetning i framtiden. Beläggningsteknik har använts på pinnfräsar, brotschar, borrar, verktyg för bearbetning av sammansatta hål, kugghjul, kugghjulsformningsfräsar, kuggsaxar, formningsbroscher och olika maskinmonterade vändskär för att möta behoven av höghastighetsskärning av olika stål och gjutjärn, värmebeständiga legeringar och icke-järnmetaller.
5. Typer, egenskaper, egenskaper och användningsområden för verktygsmaterial av hårdmetall
Hårdmetallverktyg, särskilt vändbara hårdmetallverktyg, är de ledande produkterna av CNC-bearbetningsverktyg. Sedan 1980-talet har olika typer av integrerade och indexerbara hårdmetallverktyg eller -klingor utökats till olika skärverktygsområden. Bland dem har indexerbara hårdmetallverktyg expanderat från enkla svarvverktyg och planfräsar till olika precisions-, komplexa och formverktygsfält.
(1) Typer av hårdmetallverktyg
Enligt den huvudsakliga kemiska sammansättningen kan hårdmetall delas in i volframkarbidbaserad hårdmetall och titankarbid (nitrid) (TiC (N))-baserad hårdmetall.
Volframkarbidbaserad hårdmetall inkluderar tre typer: volframkobolttyp (YG), volframkobolttitantyp (YT) och sällsynt karbidtillsatt typ (YW). De har var och en sina egna fördelar och nackdelar. Huvudkomponenterna är volframkarbid (WC), titankarbid (TiC), tantalkarbid (TaC), niobkarbid (NbC), etc. Den vanliga metallbindningsfasen är Co.
Titankarbid (nitrid) baserad hårdmetall är en hårdmetall med TiC som huvudkomponent (vissa har andra karbider eller nitrider tillsatta), och de vanligaste metallbindningsfaserna är Mo och Ni.
ISO (International Organization for Standardization) delar in skärande hårdmetall i tre kategorier:
K-kategori, inklusive Kl0~K40, motsvarande mitt lands YG-kategori (huvudkomponenten är WC-Co).
P-kategori, inklusive P01~P50, motsvarande mitt lands YT-kategori (huvudkomponenten är WC-TiC-Co).
M-kategori, inklusive M10~M40, motsvarande mitt lands YW-kategori (huvudkomponenten är WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Varje märke representeras av ett nummer mellan 01 och 50 för att representera en serie legeringar från hög hårdhet till maximal seghet.
(2) Prestandaegenskaper för hårdmetallverktyg
Prestandaegenskaperna för hårdmetallverktyg är följande:
① Hög hårdhet: hårdmetallverktyg är gjorda av karbider (kallad hård fas) med hög hårdhet och smältpunkt och metallbindemedel (kallad bindningsfas) genom pulvermetallurgi. Deras hårdhet når 89-93HRA, vilket är mycket högre än höghastighetstål. Vid 5400 grader kan hårdheten fortfarande nå 82-87HRA, vilket är samma som hårdheten för snabbstål vid rumstemperatur (83-86HRA). Hårdhetsvärdet för hårdmetall varierar med arten, kvantiteten, partikelstorleken och innehållet i metallbindningsfasen av karbider, och minskar i allmänhet med ökningen av bindningsmetallfashalten. När bindningsfasinnehållet är detsamma är YT-legeringens hårdhet högre än YG-legeringen, och legeringen med TaC (NbC) tillsatt har högre hårdhet vid hög temperatur.
② Böjhållfasthet och seghet: Böjhållfastheten hos vanlig hårdmetall ligger i intervallet 900-1500MPa. Ju högre halt av metallbindningsfas, desto högre böjhållfasthet. När bindemedelsinnehållet är detsamma är hållfastheten hos legeringen av YG-typ (WC-Co) högre än för legeringen av YT-typ (WC-TiC-Co), och hållfastheten minskar med ökningen av TiC-halten. Hårdmetall är ett sprött material, och dess slagseghet vid rumstemperatur är endast 1/30 till 1/8 av höghastighetstål.
(3) Användning av vanliga hårdmetallverktyg
YG-legeringar används huvudsakligen för bearbetning av gjutjärn, icke-järnmetaller och icke-metalliska material. Finkornig hårdmetall (som YG3X, YG6X) har högre hårdhet och slitstyrka än medelkorniga när kobolthalten är densamma. Den är lämplig för bearbetning av något speciellt hårt gjutjärn, austenitiskt rostfritt stål, värmebeständig legering, titanlegering, hård brons och slitstarka isoleringsmaterial.
De enastående fördelarna med hårdmetall av YT-typ är hög hårdhet, bra värmebeständighet, högre hårdhet och tryckhållfasthet vid hög temperatur än YG-typ och god oxidationsbeständighet. Därför, när verktyget måste ha högre värmebeständighet och slitstyrka, bör en kvalitet med högre TiC-innehåll väljas. YT-legeringar är lämpliga för bearbetning av plastmaterial som stål, men inte för bearbetning av titanlegeringar och kiselaluminiumlegeringar.
YW-legeringar har egenskaperna hos både YG- och YT-legeringar och har goda heltäckande egenskaper. De kan användas för att bearbeta stål, gjutjärn och icke-järnmetaller. Om kobolthalten i denna typ av legering höjs på lämpligt sätt kan hållfastheten vara mycket hög och kan användas för grovbearbetning och intermittent skärning av olika svårbearbetade material.
6. Typer, egenskaper och tillämpningar av snabbstålverktyg
High Speed Steel (HSS) är ett höglegerat verktygsstål med en stor mängd legeringselement som W, Mo, Cr och V. Höghastighetsstålverktyg har utmärkta omfattande prestanda vad gäller hållfasthet, seghet och bearbetbarhet . Höghastighetsstål har fortfarande en viktig position inom komplexa verktyg, särskilt vid tillverkning av hålbearbetningsverktyg, fräsar, gängverktyg, broscher, kugghjulsskärverktyg och andra verktyg med komplexa bladformer. Höghastighetstålverktyg är lätta att slipa skäreggen.
Beroende på olika användningsområden kan höghastighetsstål delas in i höghastighetsstål för allmänna ändamål och högpresterande höghastighetsstål.
(1) Allmänna höghastighetstålverktyg
Allmänt höghastighetstål. Generellt kan det delas in i två kategorier: volframstål och volfram-molybdenstål. Den här typen av höghastighetsstål innehåller 0,7 % till 0,9 % volfram. Beroende på de olika volframhalterna i stålet kan det delas in i volframstål som innehåller 12 % eller 18 % W, volfram-molybdenstål som innehåller 6 % eller 8 % W, och molybdenstål som innehåller 2 % eller ingen W. Allmänt ändamål Höghastighetsstål har en viss hårdhet (63-66HRC) och slitstyrka, hög hållfasthet och seghet, god plasticitet och bearbetningsteknik, så det används i stor utsträckning vid tillverkning av olika komplexa verktyg.
① Volframstål: Den typiska typen av allmänt höghastighetsstål av volframstål är W18Cr4V (förkortat W18), som har bra omfattande prestanda. Högtemperaturhårdheten vid 6000 grader är 48,5HRC, som kan användas för att tillverka olika komplexa verktyg. Den har fördelarna med god slipbarhet och låg avkolningskänslighet, men på grund av den höga karbidhalten, ojämn fördelning, stora partiklar, låg hållfasthet och seghet.
② Volfram-molybdenstål: hänvisar till ett höghastighetsstål som erhålls genom att en del av volframet i volframstål ersätts med molybden. Den typiska kvaliteten på volfram-molybdenstål är W6Mo5Cr4V2 (förkortat M2). Karbidpartiklarna i M2 är fina och enhetliga, och dess styrka, seghet och högtemperaturplasticitet är bättre än W18Cr4V. Ett annat volfram-molybdenstål är W9Mo3Cr4V (förkortat W9), som har något högre termisk stabilitet än M2-stål, bättre böjhållfasthet och seghet än W6M05Cr4V2 och har god bearbetbarhet.
(2) Högpresterande höghastighetsstålverktyg
Högpresterande höghastighetsstål hänvisar till en ny typ av stål som lägger till viss kolhalt, vanadininnehåll och legeringselement som Co och Al till den allmänna höghastighetsstålsammansättningen, och därigenom förbättrar dess värmebeständighet och slitstyrka. Det finns främst följande kategorier:
① Höghastighetstål med hög kolhalt. Höghastighetstål med hög kolhalt (som 95W18Cr4V) har hög hårdhet vid rumstemperatur och hög temperatur. Den är lämplig för tillverkning av verktyg för bearbetning av vanligt stål och gjutjärn, borrar, brotschar, kranar och fräsar med höga krav på slitstyrka, eller bearbetning av hårdare material. Den är inte lämplig för stor påverkan.
② Höghastighetstål med hög vanadin. Typiska kvaliteter, såsom W12Cr4V4Mo (förkortat EV4), innehåller 3%~5% V, har god slitstyrka och är lämpliga för att skära material som är extremt slitagebenägna för verktyg, såsom fiber, hårdgummi, plast, etc. Den kan också användas för att bearbeta rostfritt stål, höghållfast stål och högtemperaturlegeringar.
③ Kobolt höghastighetstål. Det är ett kobolthaltigt superhårt snabbstål. Typiska kvaliteter, såsom W2Mo9Cr4VCo8 (förkortat M42), har hög hårdhet, och dess hårdhet kan nå 69 ~ 70HRC. Den är lämplig för bearbetning av svårbearbetade material som höghållfast värmebeständigt stål, högtemperaturlegeringar, titanlegeringar etc. M42 har god slipbarhet och lämpar sig för att tillverka precisions- och komplexa verktyg, men den är inte lämplig för arbete under skärningsförhållanden.
④ Höghastighetsstål i aluminium. Det är ett aluminiuminnehållande superhårt snabbstål. Typiska kvaliteter inkluderar W6Mo5Cr4V2Al (förkortat 501). Dess höga temperaturhårdhet vid 6000 grader når också 54HRC. Dess skärprestanda motsvarar M42. Den är lämplig för tillverkning av fräsar, borrar, brotschar, kugghjulsfräsar, broscher, etc. Den används för att bearbeta legerat stål, rostfritt stål, höghållfast stål och högtemperaturlegeringar.
⑤ Kväve superhårt snabbstål. Typiska kvaliteter inkluderar W12M03Cr4V3N (förkortas (V3N). Det är ett kvävehaltigt superhårt höghastighetsstål. Dess hårdhet, hållfasthet och seghet motsvarar M42. Det kan användas som ersättning för kobolthaltiga höghastighetsstål. stål och används för låghastighetsskärning av svårbearbetade material och låghastighets högprecisionsbearbetning.
(3) Smältande höghastighetsstål och pulvermetallurgiskt höghastighetsstål
Enligt olika tillverkningsprocesser kan höghastighetsstål delas in i smältande höghastighetsstål och pulvermetallurgiskt höghastighetsstål.
① Smältande höghastighetsstål: Vanligt höghastighetsstål och högpresterande höghastighetsstål tillverkas båda genom smältningsmetoder. De görs till skärande verktyg genom processer som smältning, götgjutning och plätering och valsning. Ett allvarligt problem som lätt uppstår vid smältning av höghastighetsstål är hårdmetallsegregering. Hårda och spröda karbider är ojämnt fördelade i höghastighetsstål, och kornen är grova (upp till tiotals mikron), vilket har en negativ effekt på slitstyrkan, segheten och skärprestandan hos höghastighetstålverktyg.
② Pulvermetallurgi höghastighetsstål (PM HSS): Pulvermetallurgi höghastighetsstål (PM HSS) är en stålvätska smält i en högfrekvent induktionsugn, som finfördelas med högtrycksargon eller rent kväve, och sedan snabbt kyls för att erhålla en fin och enhetlig kristallin struktur (höghastighetsstålpulver). Det resulterande pulvret pressas sedan till ett knivämne under hög temperatur och högt tryck, eller görs först till ett stålämne och smids sedan och rullas till en verktygsform. Jämfört med snabbstål tillverkat med smältmetoden har PM HSS fördelarna med fina och enhetliga hårdmetallkorn och mycket högre hållfasthet, seghet och slitstyrka än att smälta snabbstål. Inom området komplexa CNC-verktyg kommer PM HSS-verktyg att vidareutvecklas och inta en viktig position. Typiska kvaliteter, såsom F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN, etc., kan användas för att tillverka stora, tungt belastade och slagkraftiga skärverktyg, och kan också användas för att tillverka precision skärande verktyg.
Principer för val av CNC-verktygsmaterial
För närvarande inkluderar de mycket använda CNC-verktygsmaterialen främst diamantverktyg, kubiska bornitridverktyg, keramiska verktyg, belagda verktyg, hårdmetallverktyg och höghastighetstålverktyg. Det finns många kvaliteter av verktygsmaterial och deras prestanda varierar mycket. De viktigaste prestandaindikatorerna för olika verktygsmaterial visas i följande tabell.
Verktygsmaterial för CNC-bearbetning måste väljas efter det arbetsstycke som bearbetas och bearbetningens karaktär. Valet av verktygsmaterial bör vara rimligt anpassat till bearbetningsobjektet. Matchningen av skärverktygsmaterial och bearbetningsobjekt hänvisar huvudsakligen till matchningen av de mekaniska egenskaperna, fysikaliska egenskaperna och kemiska egenskaperna hos de två för att erhålla längsta verktygslivslängd och maximal skärproduktivitet.
1. Matchning av mekaniska egenskaper hos skärverktygsmaterial och bearbetningsobjekt
Problemet med att matcha mekaniska egenskaper hos skärverktyg och bearbetningsobjekt hänvisar huvudsakligen till matchningen av mekaniska egenskaper parametrar såsom styrka, seghet och hårdhet hos verktyg och arbetsstyckematerial. Verktygsmaterial med olika mekaniska egenskaper är lämpliga för bearbetning av olika arbetsstyckesmaterial.
① The order of tool material hardness is: diamond tool> cubic boron nitride tool> ceramic tool> cemented carbide>höghastighetstål.
② The order of bending strength of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide> ceramic tool>diamant- och kubisk bornitridverktyg.
③ The order of toughness of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide>kubisk bornitrid, diamant och keramiskt verktyg.
Arbetsstyckesmaterial med hög hårdhet måste bearbetas med verktyg med högre hårdhet. Hårdheten hos verktygsmaterialet måste vara högre än den för arbetsstyckets material, vilket vanligtvis krävs för att vara över 60HRC. Ju högre hårdhet verktygsmaterialet har, desto bättre slitstyrka. Till exempel, när kobolthalten i hårdmetall ökar, ökar dess styrka och seghet, och dess hårdhet minskar, vilket är lämpligt för grovbearbetning; när kobolthalten minskar ökar dess hårdhet och slitstyrka, vilket är lämpligt för finbearbetning.
Verktyg med utmärkta mekaniska egenskaper vid hög temperatur är särskilt lämpliga för skärning i hög hastighet. Keramiska verktygs utmärkta prestanda vid hög temperatur gör att de kan skära i höga hastigheter, och den tillåtna skärhastigheten kan ökas med 2 till 10 gånger jämfört med hårdmetall.
2. Matcha de fysiska egenskaperna hos skärverktygsmaterial med bearbetningsobjekt
Verktyg med olika fysikaliska egenskaper, såsom snabbstålverktyg med hög värmeledningsförmåga och låg smältpunkt, keramiska verktyg med hög smältpunkt och låg värmeutvidgning, diamantverktyg med hög värmeledningsförmåga och låg värmeutvidgning etc. är lämpliga för bearbetning av olika arbetsstyckesmaterial. Vid bearbetning av arbetsstycken med dålig värmeledningsförmåga bör verktygsmaterial med bättre värmeledningsförmåga användas för att skärvärmen snabbt ska kunna överföras och minska skärtemperaturen. Diamant har hög värmeledningsförmåga och termisk diffusivitet, så skärvärme kan lätt avledas utan att orsaka stor termisk deformation, vilket är särskilt viktigt för precisionsbearbetningsverktyg med höga krav på dimensionsnoggrannhet.
① Värmebeständighetstemperatur för olika verktygsmaterial: 700-8000 grad för diamantverktyg, 13000-15000 grad för PCBN-verktyg, 1100-12000 grad för keramiska verktyg, 900-11000 grad för TiC(N) -baserad hårdmetall, 800-9000 grad för WC-baserad ultrafinkornig hårdmetall och 600-7000 grad för 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>Al2O3-baserad keramik.
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>Al2O3-baserad keramik.
3. Kemisk prestandamatchning av skärverktygsmaterial och bearbetningsobjekt
Det kemiska prestandamatchningsproblemet för skärande verktygsmaterial och bearbetningsobjekt hänvisar huvudsakligen till kemiska prestandaparametrar som kemisk affinitet, kemisk reaktion, diffusion och upplösning av verktygsmaterial och arbetsstyckematerial. Verktyg av olika material är lämpliga för bearbetning av olika arbetsstyckesmaterial.
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>diamant.
4. Rimligt urval av CNC-verktygsmaterial
Generellt sett är PCBN, keramiska verktyg, belagd hårdmetall och TiCN-baserade hårdmetallverktyg lämpliga för CNC-bearbetning av järnmetaller som stål; medan PCD-verktyg är lämpliga för bearbetning av icke-järnmetallmaterial som Al, Mg, Cu och deras legeringar och icke-metalliska material. Följande tabell visar några arbetsstyckesmaterial som är lämpliga för bearbetning med olika verktygsmaterial.