Труднообрабатываемые материалы – это конструкционные материалы со значительно низкой способностью поддаваться обработке резанием по сравнению с обычными материалами. Важно отметить, что высокая твердость – это не единственная характеристика, которая делает эти материалы трудными для обработки, есть несколько прочих факторов, способствующих этому.
С труднообрабатываемыми материалами так или иначе сталкиваются в каждой отрасли промышленности, но чаще всего в аэрокосмической промышленности. Здесь эти материалы применяются для производства турбинных двигателей, компонентов шасси и основных элементов авиационных конструкций. В аэрокосмической промышленности основные предъявляемые к обрабатываемым материалам требования – это определенное отношение прочности к весу, жесткость, долговечность, стойкость к коррозии и высоким температурам. Все эти характеристики присущи именно труднообрабатываемым материалам.
При выборе такого материала следует учитывать следующее.
Высоколегированная высокопрочная сталь используется для деталей, подвергаемых экстремальной механической нагрузке, как например, шасси. Кроме того, это первый выбор для различных крепежей.
Титановые сплавы, с их прекрасной удельной прочностью, высокой устойчивостью к коррозии и ползучести, это предпочтительный материал для производства основных элементов холодной секции реактивного двигателя. Такие сплавы также представляют собой подходящую альтернативу стали и нержавейке, так как они меньше весят.
Высокотемпературные суперсплавы (HTSA), которые сохраняют свою прочность в условиях воздействия высоких температур, обычно применяют при производстве компонентов горячей секции реактивного двигателя.
Композитные материалы характеризируются впечатляющей удельной прочностью, что помогает снизить вес воздушного судна и открывает новые перспективы приданию детали обтекаемой аэродинамической формы. В военной авиации композитные материалы способствуют улучшению характеристик, обеспечивающих малую заметность.
Однако, обработка таких материалов сложна по нескольким причинам. Вот основные из них:
- Высокая прочность приводит к большому усилию резания, что увеличивает механическую нагрузку на инструмент.
- Интенсивная теплогенерация и низкая теплопроводность (например, при обработке титановых сплавов) приводят к плохому отводу тепла. В результате увеличивается тепловая нагрузка на инструмент и вероятность возникновения нароста на режущей кромке.
- Деформационное упрочнение материала (особенно у высокотемпературных суперсплавов) увеличивает прочность и твердость поверхности детали во время обработки, что делает ее сложной.
- Коэффициент высокой абразивности (при обработке композитных материалов) увеличивает истирание рабочей зоны инструмента.
Кроме этого, на обрабатываемость негативно влияют и другие характеристики материала. Например, упругость титановых сплавов способствует вибрации, ухудшению точности обработки и качества поверхности. Внутренняя структура композитных материалов служит причиной отделения материала при обработке.
Все указанные аспекты ускоряют износ инструмента и уменьшают его стойкость.
Новые тенденции в аэрокосмической промышленности явно указывают на увеличение использования труднообрабатываемых материалов. Это проявляется во внедрении новых сплавов увеличенной прочности и термостойкости, широком применении композитных материалов и использовании материалов с гибридной структурой (металлических композиционных материалов).
Для решения этих задач металлообрабатывающая промышленность внедряет новые стратегии обработки на основе впечатляющих возможностей современных станков с ЧПУ и систем CAM. Однако, последнее звено в этой общей цепочке, связанной с обработкой, это режущий инструмент, который напрямую контактирует с материалом и удаляет его слой при обработке. Это самое «консервативное» звено, его разработка медленная, что часто препятствует использованию всех возможностей современных станков. Чтобы преодолеть существующие сложности при обработке, необходимо уменьшить параметры резания, что ведет к низкой производительности и увеличению стоимости обработки. Понятно, что каждый шаг вперед, даже самый маленький, в этой области, может привести к значительным улучшениям при обработке этих сложных материалов. Поэтому металлообрабатывающая промышленность приветствует последние достижения в области режущих инструментов, надеясь, что они приведут к радикальному изменению ситуации.
Какие основные требования к инструменту для эффективной обработки таких материалов? Если коротко, он должен быть твердый, износоустойчивый и точный, позволяющий производить эффективную обработку и при этом гарантирующий получение предсказуемой и стабильной увеличенной стойкости и требуемого уровня точности. Однако, чтобы отвечать этим понятным и обоснованным требованиям, нужны значительные усилия, и даже небольшой прогресс в этом направлении очень затруднителен. За каждым новым улучшением стоит серьезная работа разработчиков инструмента, а также многочисленные испытания.
Поэтому разработка инструмента сконцентрирована на этих трех областях:
- Сплавы режущего материала.
- Конструкция инструмента.
- Цифровой компонент инструмента.
В первой области акцент делается на улучшении твердости, износостойкости и жаропрочности. Это достигается внедрением новых покрытий, в частности основанных на нанотехнологии, и расширением использования экстратвердых режущих материалов, таких как кубический нитрид бора (CBN) и керамика.
В области конструкции инструмента улучшения нацелены на оптимизацию макро- и микрогеометрии, такой как конструкция лезвия и подготовка режущей кромки, для улучшения возможностей резания. Компьютерное моделирование в сочетании с расчетной динамикой и большими возможностями 3-D печати предоставляет совершенно новые способы формирования канавки, углубления для схода стружки и внутренних подводов СОЖ. Это способствует лучшему удалению стружки и подачи СОЖ, что в итоге улучшает рабочие характеристики инструмента. Ключевым моментом здесь является повышение виброустойчивости инструмента за счет инновационной геометрии резания, повышения жесткости структуры и использования антивибрационных держателей инструмента.
Третья область, цифровой компонент инструмента, подразумевает под собой его цифровой клон и различные программные продукты, позволяющие увидеть инструмент в сборе, получить симуляцию обработки, выбрать правильные режимы резания, рассчитать стойкость и произвести другие необходимые вычисления, такие как машинная мощность и усилия резания. ISCAR ожидает, что этот компонент будет совместим со стандартами обмена данными, чтобы отвечать требованиям умного производства.
Упомянутые тенденции четко можно увидеть в последних разработках ISCAR – одного из лидеров в области производства режущего инструмента. Эти разработки представлены в последней кампании под названием LOGIQUICK.
Так, ISCAR представил два новых твердых сплава с покрытием PVD: IC1017 был создан для точения высокотемпературных суперсплавов на основе никеля, а IC716 предназначен для высокопроизводительного фрезерования титановых сплавов. Номенклатура безвибрационных цельных твердосплавных концевых фрез была расширена за счет фрез современной конструкции с применением твердого сплава IC608 цвета меди, это первый выбор для материалов группы ISO S (суперсплавы и титан). Еще один твердый сплав, IC5600, был разработан ISCAR для фрезерования стали (материалы группы ISO P). Сочетание субмикронной подложки, покрытия CVD и последующей обработки призвано увеличить стойкость к абразивному износу и тепловой нагрузке, увеличить скорость резания, в частности, при обработке высокопрочной стали.
CERMILL, новая линейка концевых фрез со сменными односторонними круглыми пластинами (рис. 1), интересна с двух точен зрения. Прежде всего, в ней используется инновационный механизм фиксации пластин повышенной жесткости. Такой механизм позволяет использовать увеличенное количество зубьев по сравнению с обычной конструкцией схожего инструмента такого же диаметра. Кроме того, он позволяет производить простую индексацию и замену пластины без снятия фрезы с держателя. Во-вторых, пластины производятся на основе керамических сплавов, специально разработанных для обработки высокотемпературных суперсплавов.
Рис.1
ISCAR также расширил номенклатуру своего антивибрационного инструмента. В основе конструкции нового инструмента лежит встроенный инновационный механизм гашения вибрации, поддерживаемый резиновым пружинным элементом с маслом для усиления демпфирования. Линейка токарного инструмента теперь включает для обработки глубины Х 12 и Х 14 диаметра хвостовика (рис. 2). Кроме того, линейка фрезерного инструмента теперь включает антивибрационные хвостовики с адаптерами MULTI-MASTER.
Рис. 2
Линейка торцово-цилиндрических фрез с удлиненной канавкой QUICK-X-FLUTE, разработанная для получения высокой интенсивности съёма металла на черновом фрезеровании таких сложных материалов, как высокотемпературные суперсплавы и титан (ISO S), аустенитная и дуплексная нержавеющая сталь (ISO M) и сталь (ISO P). Эти похожие на дикобраза фрезы используют экономически эффективные двусторонние квадратные пластины с 8 режущими кромками. Основная особенность конструкции этих фрез — это оптимизированная геометрия канавки (рис. 3), она позволяет достигнуть равновесия между жесткостью фрезы и необходимостью получения эффективного схода стружки при обработке с высокой интенсивностью съёма металла. Фрезы QUICK-X-FLUTE также характеризуются опцией внутренней подачи СОЖ. Использование СОЖ, подаваемой под высоким давлением, сменной сопловой части и фронтального выпуска гарантирует прямую подачу охлаждения прямо в зону резания. Это усиливает эффект охлаждения и смазывания и способствует оптимальному отводу стружки.
Рис. 3
При разработке современного инструмента основное внимание уделяется эффективной подаче СОЖ. В линейке токарного инструмента для производства миниатюрных деталей PICCO компания ISCAR представила новые пластины с внутренними каналами СОЖ (рис. 4). Для нарезания отверстий компания представила новые 3-хперые цельные твердосплавные сверла для обработки плоскодонных отверстий, с тремя выходными отверстиями под СОЖ. Что касается держателей инструмента, из последних новинок — это державки с каналами СОЖ вдоль внутренней полости. Кроме того, разработчики инструмента компании ISCAR улучшили дизайн фрез классической линейки со сменными пластинами HELIMILL для максимального увеличения пропускной способности при минимальном падении давления при помощи программного обеспечения для вычислительной гидродинамики (CFD).
Рис. 4
Улучшения были привнесены и в NEOITA, неотъемлемую часть цифрового компонента инструмента. NEOITA, экспертная система, предлагающая оптимальные решения оснастки и позволяющая рассчитать стойкость инструмента для определенной операции, теперь имеет новые свойства. Одно из них – это поиск информации, основанный на искусственном интеллекте, для получения подробных данных об обрабатываемых материалах, включая их металлургический состав и обычное применение.
Улучшение производительности при использовании труднообрабатываемых материалов является сложной задачей. Для ее решения производители инструмента постоянно стремятся предоставлять более передовые и продуктивные решения. Хотя никаких радикальных прорывов здесь пока не наблюдалось, последние разработки указывают на устойчивый эволюционный прогресс в этой области. ■
***Автор статьи на английском языке — Андрей Петрилин
