Сверхтвёрдые инструментальные материалы и лезвийная обработка металлов

За рубежом в настоящее время созданием ПСТМ и инструмента из них занимаются десятки фирм США, Японии, Великобритании, стран Евросоюза.

Наиболее признанным материалом является амборит (De Beers Industrial Diamond Division, Великобритания), который производится путём горячего прессования при высоких значениях давления и температур шихты с узким диапазоном фракции "янтарного" BNK и металла, образующего в процессе изготовления керамическую связку. Материал выпускается без подложки, отличается высокой твёрдостью и вязкостью. Имеет высокие режущие свойства при черновом и чистовом точении, при прерывистом резании твёрдых чугунов, закалённых инструментальных и других труднообрабатываемых сталей. Этот материал может успешно применяется и при фрезеровании.

В последние годы на западном рынке появилась большая гамма двухслойных пластин с режущим слоем из синтетических поликристаллов нитрида бора (СПНБ). Фирма "Дженерал Электрик" сравнительно недавно начала выпуск двухслойных режущих пластин, имеющих рабочий слой боразона на твердосплавной подложке. От предыдущих модификаций боразона они отличаются высокой износостойкостью и используются с применением СОТС при обработке закалённых сталей (V £ 100 м/мин) и чугунов (V £ 500 м/мин).

В последние годы в области создания новых СПНБ особенно интенсивно работают японские производители (например, "Sumitomo Electric"). Из наиболее известных на западном рынке материалов необходимо отметить сумиборон – композиционный СТМ на основе КНБ и керамической связки, спекаемый с твердосплавной подложкой при температуре 1500°С и давлении более 5,0 ГПа. Сумиборон BN200, уступая боразону по твёрдости при температуре 20°C (320 HV, для боразона – 4200 HV), имеет с последним равную горячую твёрдость (1700 HV при 1000°С), превосходя его по стойкости при обработке высокопрочных сталей, чугунов и жаропрочных сплавов.

Во ВНИИ инструмента были проведены сравнительные испытания износостойкости резцов на основе плотных модификаций нитрида бора отечественного производства и амборита. Испытания резцов проводили при обработке стали ХВГ твёрдостью HRC 60, образцы заготовок имели продольный паз шириной 4 мм вдоль образующей поверхности цилиндра.

По результатам проведенных испытаний установлено, что при прерывистом резании закалённых сталей работоспособность резцов, оснащённых композитом 10 (гексанит-Р), выше, чем у резцов, оснащённых амборитом, в среднем на 10...15%. При оптимальной скорости резания V = 70...80 м/мин композит 10 (гексанит-Р) превосходит амборит в 1,5...1,6 раза.

Зарубежные фирмы выпускают и активно внедряют на предприятиях инструментальные материалы на основе кубического нитрида бора. Так, фирма "KennametalHertel" применяет для оснащения режущих инструментов СТМ марок KD050, KD081, KD120, KD200, KD230, KB5625, KB5610 с содержанием нитрида бора от 50 до 90%  в виде СМП с системой крепления "TopNotch".

Фирма Mitsubishi выпускает СМП из инструментальных материалов на основе КНБ марок MBC010, MBC020 (с покрытием) и MB8025, MB835 (без покрытия).

Фирма Iscar производит СМП из аналогичной гаммы инструментальных материалов марок – IB10H, IB20H, IB10HC с покрытием TiN, IB25HCс покрытием Ti (C, N, O), IB25HA с покрытием Ti (C, N).

Фирма Sandvik применяет для своих инструментов композиты на основе нитрида бора без и с покрытием марок – CB7015, CB7020, CB7025, CB7035.

Фирма Seco использует широкую гамму аналогичных инструментальных материалов на основе кубического нитрида бора марок – CBN050C, CBN10, CBN100, CBN100P, CBN150, CBN200, CBN300, CBN300P, BN350 [54].

 

1.7. Общие рекомендации по применению инструмента,

оснащённого режущими элементами на основе КНБ

 

КНБ применяют при обработке чёрных металлов различной твёрдости (особенно эффективен КНБ при обработке материалов с твёрдостью HRC 45...65).

Пластины из КНБ выпускаются с фасками (0,008 мм, угол 20°) или без фасок. Фаски увеличивают стойкость в два раза, однако при этом сила резания увеличивается на 30%. Поэтому применение пластин с фасками рекомендуется тогда, когда требуется длительная стойкость инструмента или при прерывистом резании. Пластины без фаски следует применять, когда необходимо ограничить силы резания, например если производят растачивание или обработку нежёстких деталей.

Применение пластин из КНБ вместо шлифования обычными кругами при обработке закалённых сталей и твёрдых чугунов позволяет увеличить производительность процесса в 4...10 раз. Высокая ударная вязкость пластин из КНБ обеспечивает эффективное срезание твёрдой абразивной литьевой корки, выполнение тяжёлого чернового резания и прерывистого резания без разрушения. С помощью инструмента из КНБ легко обрабатывают заготовки с твёрдыми включениями, в том числе с включениями песка. КНБ не вступает в химическую реакцию с большинством металлов, не окисляется при температурах резания до 1000°С и выше.

Все большее применение КНБ находит при обработке заготовок из мягкого чугуна (НВ 180...240), особенно в автомобильной промышленности.

Износостойкость КНБ в 50 раз выше, чем твёрдых сплавов без покрытия, в 40 раз выше, чем твёрдых сплавов с покрытием, в 25 раз выше, чем оксидной и нитридной минералокерамики.

Когда детали обрабатываются обычными твердосплавными пластинами, вспомогательное время, связанное с переустановкой пластин, превышает основное время в два раза, что связано с быстрым износом режущих кромок. Иногда пластины требуется поворачивать после обработки всего 100...300 деталей (30 поворотов при обработке партии заготовок при периоде стойкости 5...20 мин). Число заготовок, обрабатываемых пластиной из КНБ, составляет 3000 шт. и более (обработка без перерывов двух партий заготовок) при одновременном увеличении точности размеров.

При обработке мягких чугунов инструментом из КНБ необходимо обеспечивать:

– Высокую жёсткость станка, что необходимо для восприятия больших сил резания. Вибрация не допускается, так как она сокращает стойкость и увеличивает шероховатость обработанной поверхности.

– Применение инструментов с отрицательным передним углом (там, где это возможно). При этом режущая кромка "вспахивает" обрабатываемый материал, благодаря чему температура зоны сдвига превышает температуру пластического течения обрабатываемого материала.

– Применение инструментов с главным углом в плане 45° (не больше 75°). Чем меньше этот угол, тем меньше срезаемая стружка и меньше удельная нагрузка на режущую кромку.

– Применение инструментов с максимально возможным радиусом при вершине.

– Применение при прерывистом резании пластин с фаской под углом 10°.

– Небольшой радиус округления режущих поверхностей при доводке, что предохраняет кромки от выкрашивания. Величина радиуса округления – 0,025...0,05 мм при непрерывном резании; 0,075...0,12 мм – при прерывистом резании.

– Выдерживание скорости резания в интервале 270...900 м/мин и при подаче 0,2...0,6 мм/об.

Инструмент из КНБ может использоваться без охлаждения, однако при охлаждении эффективность резания увеличивается. Если необходимо работать без смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС), то положительный эффект можно получить с помощью сжатого или охлаждённого воздуха либо с помощью твёрдой смазки.

Рекомендуемые режимы резания при точении и фрезеровании материалов инструментом, оснащённым пластинами и вставками из гексанита-Р, представлены в табл. 1.14 – 1.16 [12].

В некоторых случаях изношенную пластину из КНБ можно перетачивать. Обычно допускаются две переточки без изменения размеров пластины, затем пластину переводят в другой типоразмер. Стойкость пластины после переточки такая же, как у новой пластины.

 

Таблица 1.14

Условия точения и показатели работоспособности резцов,

оснащённых пластинами из гексанита-Р (обработка без СОТС)

 

Обрабатываемый материал	Режим точения			Стойкость резца, мин	Шероховатость, Ra, мкм
	скорость V, м/мин	подача S, мм/об	глубина t, мм
Сталь ХВГ (HRC 62...64)	50 – 150	0,02 – 0,1	0,1 – 0,5	90 – 60	1,25 – 0,63
Чугун СЧ 21 – 40 (HB 180...210)	300 – 800	0,02 – 0,2	0,1 – 0,8	100 – 60	2,5 – 1,25
Сталь 30ХГСМА (HRC 46...48)	75 – 300	0,02 – 0,1	0,1 – 0,5	100 – 60	0,63
Сплав ВК10 – ВК25 (HRA 84...88)	35 – 50	0,02 – 0,1	0,05 – 0,5	40 – 15	0,63 – 0,32
Износостойкие наплавки (HRA 70...80)	30 – 80	0,02 – 0,2	0,05 – 1,0	60 – 30	0,63 – 0,32

 

 

Таблица 1.15

Режимы резания, рекомендуемые для фрезерования концевыми

фрезами, оснащёнными пластинами из гексанита-Р

 

Обрабатываемый материал	Твёрдость	Режим резания
		скорость V, м/мин	подача S, мм/об	глубина t, мм
Стали конструкционные, легированные	HRC 40...50	80 – 150	0,005 – 0,02	0,01 – 0,4
Стали быстрорежущие, инструментальные	HRC 50...67	60 – 120	0,005 – 0,02	0,01 – 0,3
Чугуны серые высокопрочные	НВ 160...270	120 – 300	0,01 – 0,03	0,01 – 1,0
Чугуны отбеленные	НВ 400...600	40 – 100	0,01 – 0,03	0,01 – 0,5

 

 

Таблица 1.16

Рекомендуемые условия фрезерования сборными фрезами,

оснащёнными вставками из гексанита-Р

 

Обрабатываемый материал	Твёрдость	Вид обработки	Режимы резания			Радиус вершины r, мм
			скорость V, м/мин	подача S, мм/об	глубина t, мм
Стали конструкционные	HRC 40...50	получистовая чистовая	300 – 500 400 – 600	0,08 – 0,12 0,02 – 0,05	0,8 – 1,2 0,1 – 0,3	0,5 – 0,8 0,3 – 0,5
Стали легированные	HRC 50...60	получистовая чистовая	150 – 300 150 – 200	0,08 – 0,12 0,02 – 0,04	0,08 – 1,2 0,1 – 0,3	0,5 – 0,8 0,3 – 0,5
Стали инструментальные	HRC 60...65	получистовая чистовая	80 – 100 130 – 150	0,06 – 0,08 0,01 – 0,02	0,5 – 0,8 0,1 – 0,3	0,5 – 0,8 0,3 – 0,5
Чугуны серые высокопрочные	НВ 160...270	получистовая чистовая	400 – 600 600 – 800	0,1 – 0,5 0,08 – 0,10	0,5 – 1,0 0,1 – 0,5	0,5 – 0,8 0,5 – 0,8
Совместная обработка серого чугуна и закаленной стали	–	получистовая чистовая	90 – 150 120 – 200	0,08 – 0,10 0,02 – 0,05	– –	– –
Совместная обработка закаленной стали и твердого сплава	–	получистовая чистовая	15 – 25 20 – 30	0,05 – 0,06 0,005 – 0,01	– –	– 0 – 0,5
Чугуны отбеленные	НВ 400...600	получистовая чистовая	150 – 200 200 – 300	0,06 – 0,08 0,02 – 0,04	– –	– –

Нецелесообразно доводить пластины из КНБ до разрушения, стремясь максимально использовать период стойкости режущей кромки. Экономически целесообразно поворачивать пластину, оставляя опредёленный припуск на переточку. В общем случае интенсивность съёма материала можно увеличивать на 25...30% без снижения стойкости. Очень важно вести обработку с максимально большой глубиной резания (больше 0,12 мм). Образующаяся при этом крупная стружка эффективно отводит тепло, выделяющееся при резании.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Какие материалы называются сверхтвёрдыми?

2. Укажите преимущества синтетических сверхтвёрдых материалов (СТМ) на основе алмазов и твёрдых модификаций нитрида бора перед другими инструментальными материалами.

3. Объясните основной принцип технологии изготовления инструментальных материалов из твёрдых модификаций нитрида бора.

4. Расскажите, как классифицируют СТМ на основе алмазов. Какие материалы относятся к этой группе и каковы их отличительные особенности?

5. Представьте примеры применения инструмента из поликристаллического алмаза.

6. Перечислите, какие существуют модификации синтетических плотных нитридов бора, и в чём их особенности? Какие материалы относятся этим группам?

7. Как классифицируются материалы из кубического нитрида бора (КНБ)? Какие материалы относятся к этим группам?

8. Перечислите области и примеры применения инструмента, оснащённого поликристаллическим сверхтвёрдым материалом.

9. Назовите примеры перспективных, недавно разработанных композиционных инструментальных материалов на основе КНБ.

10. Какие материалы из модификаций нитрида бора выпускаются за рубежом?