Хотя твердосплавные пластины зарекомендовали себя практически во всех типах обработки с ЧПУ, обработка аэрокосмических сплавов представляет собой особенно хорошую возможность для начала изучения альтернативных вариантов. В ходе недавних испытаний новый тип чистовой токарной пластины из кубического нитрида бора (CBN) работал в три раза быстрее, прослужил в три раза дольше и удалил в девять раз больше припуска материала, чем цементированный карбид титана 6AL-4V, и все это на одной режущей кромке.
Основное различие между этим твердосплавным инстурментом и другими пластинами заключается не в том, что он содержит, а в том, чего ему не хватает: связующего для удержания спеченного материала вместе. Вместо этого наночастицы сплавляются непосредственно друг с другом, образуя практически сплошную режущую поверхность. Эта конструкция позволяет в использовать исключительную твердость и теплопроводность CBN в материале.
Процесс спекания при более высокой температуре и более высоком давлении, который делает возможным создание без связующего, имеет большое значение не только для производительности механической обработки. Кобальт, важнейший ингредиент в “цементе”, который удерживает цементированный карбид вольфрама вместе, становится все более редким и дорогостоящим. То же самое касается вольфрама, ниобия и других элементов этих пластин.
На диаграмме сравниваются скорость, удаление материала и срок службы инструмента твердосплавных и бессвязных пластин CBN при испытании на токарную обработку титана.
По сравнению с карбидом, бессвязный CBN работал в три раза быстрее, удалял в девять раз больше материала и его стойкость в 3 раза больше при испытании одной режущей кромке.
Тесты обработки твердосплавных пластин
Испытания на чистовую обработку были проведены по просьбе разработчика пластин Sumitomo Electric Carbide. Мы использовали три токарные пластины CBN без связующего NCB100 и марки цементированного карбида AC51015S, рекомендуемого для этой обработки. Как и ожидалось, карбид хорошо зарекомендовал себя при повторных испытаниях, показав 0,00208 мм износа наконечника после 45 минут обработки. Пластина показала равномерный и предсказуемый износ с течением времени.
Две пластины CBN, одна с низким углом наклона и одна с высоким углом наклона, испытывали одинаковый уровень износа через 45 минут (0,0024 мм для обеих геометрий CBN). В этот момент твердосплавная пластина требовала коррекции для поддержания контроля стружки. Тем не менее, обе режущих пластин CBN продолжал давать короткие, туго завитые стружки. Третья пластина CBN без связующего материала, работала еще лучше, изнашиваясь только вдвое меньше (0,0012 мм) на 45-минутной отметке обработки.
Крупным планом сравнивается состояние пластины CBN после 45-минутной и 230-минутной обработки титана.
При 400 sfm (в два раза превышающей скорость карбида) и 230 минутах резания пластина CBN без связующего все еще работала стабильно. Твердосплавная пластина требовала коррекции на 45-минутной обработке.
Самой большой разницей была скорость. При повторных испытаниях все три геометрии CBN работали на 400 sfm против только 200 sfm для цементированного карбида. Исследователи продвинули самую высокоэффективную пластина CBN (со средним углом наклона) далеко за 45-минутную обработки и расширили периодические измерения износа с 15 – до 30-минутных интервалов. Через 230 минут стружки были практически неотличимы от тех, что были созданы на 45-минутной отметке. Напротив, твердосплавная пластина изнашивалась в два раза больше, удаляла только половину материала и оставляла более грубую поверхность.
Испытания продолжались. Доведенный до 600 sfm-в три раза больше скорости карбида-бессвязный CBN продержался более 400 минут, прежде чем показать тот же уровень бокового износа, что и твердосплавная вставка, через 45 минут (хотя с CBN шероховатость поверхности достигла почти 65 Ra к 400-минутной отметке). На отметке в 435 минут стружкистали постепенно становиться длинными и тягучими. Наконец, через 555 минут наконечник пластин принял форму полумесяца.
Связующий материал мягче, поэтому он разрушается первым по мере ухудшения поверхности. Он отрывается кусками, оставляя выбоины. Без смолы частицы сплавляются непосредственно друг с другом. Выбоин нет, потому что поверхность изнашивается с относительно постоянной и предсказуемой скоростью, в результате чего из колес проезжающего транспорта вырезаются два параллельных дивета.
Специально разработанные связующие помогают другим пластинам CBN выдерживать усилия, связанные с механической обработкой зубчатых колес и другими видами прерывистого резания, которые трудно поддаются обработке инструментом.
Процесс спекания под высоким давлением и при высокой температуре позволяет сплавлять субмикронные зерна CBN вместе без связующего, чтобы максимизировать твердость, теплопроводность и результирующие преимущества титана и кобальтового хрома.
Это не означает, что токарная обработка титана является единственным потенциальным применением бессвязного CBN, а также что о фрезеровании или другом прерывистом резании не может быть и речи. Пластины успешно применяются при прерывистых резах как в порошковом металле, так и в чугуне, а также при фрезеровании закаленной стали в определенных условиях. Тем временем продолжается разработка различных геометрических форм кромок и составов частиц CBN, которые повышают прочность и ударную вязкость. Эти инструменты также были применены для обработки медицинских деталей из таких материалов, как цементированный карбид и кобальт-хром (Co Cr).
Между тем, развитие аддитивного производства может усилить акцент на чистовой и полуобработке по сравнению с черновой обработкой. По сравнению с вырезанием твердых заготовок или блоков материала, обработка 3D-печатных, почти сетчатых форм требует различных методов и различных режущих инструментов. Это означает переход на резцы, которые требуют меньшего радиального зацепления, но будут двигаться с большей скоростью.
Гистограмма отслеживает износ инструмента с течением времени на разных скоростях для цементированного карбида и без связующего CBN.
Две плоские параллельные горизонтальные линии представляют собой чистовую отделку поверхности (серый цвет) и износ вставки (синий цвет) с твердосплавной вставкой после 45 минут обработки при 200 sfm. Вертикальные синие полосы указывают на прогрессирование износа биндерных вставок CBN с течением времени как при 400 SFM (светло-синий), так и при 600 SFM (темно-синий). Вторая пара горизонтальных серых полос показывает ухудшение качества поверхности с течением времени с помощью биндерного CBN при 400 SFM (светло-серый) и 600 SFM (темно-серый).
