Все для металлообработки: металлорежущий инструмент(пластины, резцы, фрезы, сверла, метчики), СОЖ, резьбонарезное и заточное оборудование

Что будет с твердым сплавом в течение следующих 10 лет

Твердосплавный инструмент: монолитный как скала

С учетом недавних достижений в металлургии, аддитивном производстве и производстве индексируемого режущего инструмента всех интересует, какова будет судьба твердого сплава в течение следующего десятилетия?

Операторы станков, которые сейчас находятся на пенсии, могли бы вспомнить о заточенном вручную инструменте из Carboloy 883 (или в советской реальности это были сплавы ВК6, ВК8, Т15К6 и пр.), пылящемся в глубине ящика для инструментов. По сравнению с быстрорежущим стальным инструментом, на котором эти операторы Cincinnati Milacron и Davenport съели собаку, распространение твердого сплава некогда означало более быстрые подачи и скорости, более длительный срок службы инструмента, более высокое качество детали и бОльшую кучу деталей в конце каждой смены.

Но времена меняются, как меняется и твердый сплав. Мы не будем перечислять здесь всю его долгую историю, скажем только, что этот самый важный из всех материалов для режущего инструмента приближается к своему 100-летнему юбилею. И сейчас многие эксперты пытаются дать свою оценку, пришло ли для этого ветерана время заслуженного отдыха.

Что будет с твердым сплавом в течение следующих 10 лет

Мы расспросили производителей инструмента, и большинство из них солидарны, что у твердого сплава впереди долгая и продуктивная жизнь.

«Использование твердого сплава растет, и растет стремительно», — говорит Томас Раун, начальник технического отдела Iscar в США. «Конечно, индексируемые и сменные системы имеют большую долю, но все еще есть большое число применений, где вы не можете ничем заменить твердосплавную концевую фрезу или сверло.»

Технология изготовления опорных пластин и покрытий продолжает развиваться, позволяя получить еще более эффективный инструмент, который значительно увеличивает производительность и рентабельность в сфере обработки. Эксперты считают, что в автомобильной промышленности и других областях будет больше использоваться алюминия, поэтому использование поликристаллического алмаза (PCD) также значительно вырастет, хотя твердый сплав останется номером один. Некоторые даже считают, что в обозримом будущем рынок твердого сплава ожидает непрерывный рост. Это происходит из-за того, что возможности проектирования производителей инструмента сильно увеличились. Наряду с этим используется все больше передового шлифовального оборудования. В результате возник широкий выбор изделий, которые позволяют получить все преимущество сегодняшней технически сложной технологии обработки.

Все это только примеры общих оптимистичных высказываний по поводу твердосплавного режущего инструмента и выгод, который он приносит для увеличения производительности. Все основные игроки на рынке режущего инструмента в один голос говорят, что твердый сплав будет широко использоваться следующие десять лет, а также и далее.

Старая школа остается хорошей школой

Но что же насчет передового инструмента из PCD и кубического нитрида бора (CBN)? И что насчет той шумиху вокруг цельнокерамических концевых фрез с их глянцевыми журнальными фотографиями, изображающими языки пламени, бьющие от деталей из инконеля, предвещающими конец твердому сплаву, особенно если речь идет о фрезеровании суперсплавов? Действительно ли твердый сплав не может конкурировать против этих ультратвердых и износостойких материалов?

Твердая керамика может использоваться вместо твердого сплава на некоторых применениях, особенно для черновой обработки, говорят некоторые эксперты. Однако твердый сплав, как правило, все еще необходим в сочетании с керамикой для многих деталей. Кроме того, керамика требует очень большую поверхностную скорость для качественной обработки материала, и чтобы инструмент работал так, как он должен. Не каждый обрабатывающий центр обладает необходимой частотой вращения шпинделя или жесткостью. Данной соотношение условий поменяется, поскольку производители инструмента представляют керамические концевые фрезы все бОльших диаметров и разрабатывают керамический инструмент, который может справиться с более жесткими рабочими параметрами. Но несмотря на это, это не всегда идеальное решение.

Прочие эксперты в области производства металлорежущего инструмента согласны, что керамический инструмент продолжает свое развитие, но не думают, что в ближайшее время он сможет составить конкуренцию твердосплавному инструменту. У керамики есть своя ниша, и часто это лучшее решение при работе насухую и при ускоренной частоте вращения шпинделя, но ее будущее использование будет ограничено этими применениями.

Что касается инструмента PCD: поскольку автомобильная и аэрокосмическая промышленность используют все больше композитных материалов, производители инструмента должны ожидать увеличения спроса на инструменты PCD, а также твердосплавные инструменты со специальным покрытием DLC (алмазоподобным покрытием).

Все еще превалируют детали из композитного материала на основе углеродных волокон и алюминия. Поэтому инструменты PCD и DLC будут продолжать замещать собой твердосплавные концевые фрезы и сверла на некоторых деталях из цветных металлов и композитных материалов, в частности в крупносерийном производстве, считают другие эксперты. Ведь каждый, кто использовал такой инструмент, знает, что PCD позволяет применять значительно более высокие скорости резания по сравнению с твердосплавным инструментом, что отражается на увеличении производительности. Это особенно важно на современном оборудовании ЧПУ, на котором более быстрая частота вращения шпинделя и передовое программное обеспечение позволяют получить значительно более высокий объем производства. При надлежащем применении инструмент PCD также показывает гораздо бОльшую стойкость на этих материалах, что дает большие перспективы для производства с удаленным управлением.

Iscar

Концевые фрезы с увеличенным числом канавок (7, 9 и более) все более популярны в черновой (при помощи движения по трохоиде) и чистовой обработке. На фото – инструмент ISCAR.

Фокусировка на материалы

Иначе говоря, керамика и другие передовые материалы работают хорошо в тех местах и применениях, для которых они и были разработаны. Зачастую они затем используются в сочетании с твердосплавным инструментом для черновой обработки. В обоих случаях это указывает на увеличение использования специфического режущего инструмента в зависимости от материала и применения. Особенно это касается жаропрочных суперсплавов (HRSA), но также это относится и к композитным материалам, и для крупносерийного производства, где критичными являются стойкость инструмента и стоимость производимой единицы продукции.

И действительно, большое значение имеет применение специального инструмента для определенного материала. Несмотря на то, что инструмент общего назначения тоже занимает значительное место в производстве, особенно в цехах единичного производства и в других местах, где обрабатывают различные материалы и геометрии обрабатываемых деталей, специальный инструмент для конкретного применения дает гораздо бОльшую отдачу.

Высокопроизводительный инструмент – это инструмент, который нужно менять реже, который имеет бОльшую стойкость, более быстрое время цикла и более предсказуемые результаты. С учетом этого немного бОльшая его стоимость вполне оправдана. И в противовес представлениям многих, режущий инструмент представляет собой такую небольшую долю в общей себестоимости производства детали (3-4%), что было бы стыдно не максимизировать производительность станка ЧПУ при помощи надлежащего инструмента.

Двигатели пока еще важны

Все эксперты отмечают, что основной спрос на инструмент PCD и другой инструмент из специфических материалов исходит от автопрома, который продолжает наращивать производство электромобилей, ведь весь мир избавляется от двигателей внутреннего сгорания. Некоторые эксперты считают, что газоэлектрические гибриды будут служить мостиком к исключительно электрическим автомобилям.

И действительно, электромобили начинают влиять на общее количество потребляемого автопромом твердого сплава. Однако они все еще занимают небольшую долю рынка и до того, как они займут его значительную долю, нас разделяют примерно два десятилетия. А до тех пор параллельно будут производиться гибриды, автомобили с двигателем внутреннего сгорания и электромобили, что, в свою очередь, увеличит спрос на режущий инструмент всех видов.

Когда сдвиг в сторону электромобилей будет ощутимым, снижение станет болезненным: если обычный газовый двигатель состоит из 120-140 компонентов и для его производства требуется 30-40 единиц твердосплавного инструмента, электродвигатель снижает оба этих параметра на 80% и более. Это большая цифра, но самое большое влияние на потребление твердого сплава окажет производство трансмиссий. Результаты исследований показали, что для производства электромобилей требуется на 70% меньше обработки резанием.

Большой процент компонентов из алюминия для производства электромобилей также скажется на потреблении чугуна.  По иронии судьбы эта тенденция затронет и потребление инструмента из керамики и особенно CBN – последний справлялся с большой скоростью резания на чугуне и закаленной стали, и поэтому завоевал значительную долю рынка за последние годы. И опять же, твердый сплав здесь должен одержать победу – у него уникальная комбинация твердости и вязкости, которую трудно получить на других материалах. А в совокупности с передовыми сплавами, которые уже есть на рынке и которые продолжают совершенствоваться, он может быть использован для очень широкого диапазона применений.

Детали с получением профиля, близкого заданному

Но оставим в стороне автомобильную промышленность, ведь прочие факторы тоже играют роль – продолжают совершенствоваться заливка пластмассы в форму под давлением методом впрыска, аддитивная технология, технология литья под давлением. Некоторые компоненты детали уже не требуют обработки или требуют ее в незначительном объеме. Например, алюминиевые впускные коллекторы заменяются на формованные композитные из пластмассы. Детали с получением профиля, близкого заданному, уменьшают расход материала, подвергаемому прежде черновой обработке, что снижает использование инструмента из твердого сплава.

Что касается аддитивной технологии – деталей, получаемых 3D печатью: критические поверхности должны обрабатываться, отверстия развертываться или растачиваться, и даже относительно свободные допуски прописаны в спецификации. Из-за их относительно высокой стоимости – чтобы напечатать некоторые из них требуются часы и даже дни – похоже, что инструмент из твердого сплава будет предпочитаемым решением для чистовой обработки. Иногда в напечатанных деталях нужно сделать резьбовую нарезку – тогда их обрабатывают на обрабатывающем центре или токарном станке. И здесь самый низкозатратный способ — это применение твердосплавной резьбовой фрезы.

Это верно в отношении деталей, изготовленных из металла и полимера, но Томас Раун из компании ISCAR cчитает, что именно формовка представляет собой самый большой вызов для производителей режущего инструмента. Аддитивные технологии, такие, как спекание металлопорошков и струйная печать, увеличивают потенциал совершенно новых сплавов, которые одновременно и более сильные и более износостойкие, чем существующие металлы. «Я слышал про сплавы твердого сплава и алюминия», — говорит он, — «Их будет довольно тяжело обрабатывать. Чем больше появляется таких гибридных материалов, тем больше это заставляет производителей инструмента предлагать решений, которые могут продуктивно их обрабатывать.

В перспективе 3D печать заберет кусок хлеба у цехов и производителей инструмента, но пока последние могут дать бОльшую точность и лучшее качество поверхности, вам все еще будет нужен твердосплавный инструмент для чистовых работ.

Основная мысль ясна: несмотря на то, что 3D печать и может завершить то, что многие боятся уже более трех десятилетий, а именно уменьшение спроса на традиционную обработку – все же похоже, что аддитивная и субтрактивная технологии будет дополнять друг друга.

Печать режущего инструмента

Как печать, так и инструмент — оба будут нуждаться друг в друге также и другим образом. В отношении всех этих новых технологий – сложно представить себе все разнообразие возможностей и влияний, которые 3D печать окажет на твердосплавный инструмент в долгосрочной перспективе. Но все же – аддитивные технологии уже получили возможность печати компонентов из титана и инконеля для аэрокосмической и других отраслей – и получили так быстро, что большинство и не ожидало. Печать режущего инструмента кажется не невозможным.

Это может быть сделано, и 3D печать твердосплавного инструмента откроет новые возможности для конструкции инструмента и даст возможность быстро приспосабливать его для конкретных применений. В этом заложен потенциал смены основных игроков, что предоставит преимущество тем, кто сможет это эффективно использовать.

Но некоторые не согласны с этим мнениям, говоря, что прессование пластин длится 2 секунды, что нельзя сказать о 3D печати. Кроме того, последний процесс слишком дорогостоящ. Плотный твердый сплав нельзя сделать лазерным спеканием. Вы можете напечатать только заготовки, но всегда будет необходимо спекание в печи после 3D печати. Однако, 3D печать предоставляет нам бОльшую гибкость касательно требований заказчика и открывает новые возможности для конструирования инструмента – заказчикам можно будет предложить более оптимизированные, индивидуальные решения за минимум времени. Это идеальное решение для небольших партий и при высокой сложности компонентов.

Многие отмечают при этом, что несмотря на то, что технологи 3D печати твердосплавного и индексируемого инструмента уже находится в разработке, практически здесь невозможно конкурировать с текущей технологией производства твердого сплава. Однако это скажется на развитии производства твердосплавного инструмента, поскольку небольшие партии твердого сплава и специальный инструмент могут производиться быстрее и более экономно, если пресс-форма не нужна. Также это обладает потенциалом для развития уникальных возможностей, таких, как отверстия для подачи СОЖ внутри инструмента с ювелирной точностью, которую в противном случае было бы не получить.

Многие производители инструмента ожидают, что 3D печать способствует их производству уникальным и очень продуктивным способом. Это может быть и разработка прототипа, но есть потенциал и для сложных, передовых инжиниринговых решений.

Что впереди

Следить за новостями – хороший совет для любой технологии, и твердосплавный инструмент здесь не исключение. Ученые уверят нас, что твердосплавные подкладные пластины и покрытия инструмента будут продолжать эволюционировать, чтобы не отставать от развития материалов.

Твердый сплав и инструмент из твердого сплава становятся все лучше и лучше, но до тех пор, пока не найдут какой-нибудь новый минерал в более чем достаточном запасе и легкий для добычи, альтернативные тенденции будут двигаться не гигантскими шагами, а детскими шажочками. Все эти улучшения вначале будут в форме более передовых режущих кромок и покрытий, а не твердого сплава, хотя все три они являются столпами высокопроизводительного режущего инструмента.

Многие благодарят развитие компьютерного программного обеспечения и производство станков за непрерывный прогресс последних 10-20лет. Но при этом считают, что производство твердосплавного инструмента в ближайшем будущем ожидают фундаментальные изменения. Все производители продолжают совершенствовать геометрию резания и покрытия, но здесь важно принести это на микро-, а не макроуровень.

Производители режущего инструмента используют анализ методом конечных элементов, чтобы понять, как во время резания происходит нагрев и усилие, и определить оптимальные углы подъема винтовой линии и формирование стружки задолго до того, как сделать инструмент. Станки тоже совершенствуются, многие шлифовальные станки с ЧПУ могут давать точность 1 μm и более. Все это позволяет делать режущий инструмент, который еще совсем недавно было сложно даже представить. Технологии развиваются семимильными шагами.

Томас Раун, начальник технического отдела Iscar в США, уже много лет работает в этой сфере. «С тех пор, как я пришел в этот бизнес, — говорит он, — твердость и плотность инструмента поднялись на очень высокий уровень. Благодаря этому износ и усилие резания могут преодолеваться гораздо лучше. В паре с сегодняшними имеющимися передовыми покрытиями, геометрией и режущими кромками вы имеете в настоящее время гораздо более эффективный инструмент, чем прежде. Думаю, что этот прогресс будет только продолжаться, поскольку технологии, которые стоят за этим, только улучшаются.»

ITTEDI

Инструмент PCD все шире используется при обработке алюминия и композитных материалов. На фото – напайной инструмент небольшого диаметра компании IT.TE.DI.

(по материалам пишущего редактора SME Media Кипа Нэнсона)