Часть 4: Классификация и области применения твердого сплава
Глава 11 Твердосплавные режущие инструменты и обработка
11.0 Твердосплавные режущие инструменты и обработка
11.0.1 Что такое резка?
Резка является основным процессом в обработке, который представляет собой процесс использования инструментов для отрезания лишних частей от материала заготовки для получения желаемой формы, размера и качества поверхности. Резка зависит от остроты инструмента и пластической или хрупкой деформации материала и постепенно удаляет слой материала с помощью таких сил, как сдвиг, экструзия и трение. Процесс резки обычно включает высокоскоростное вращение или движение подачи, которое производит стружку и проявляет различные физические свойства при резке металла (например, стали, чугуна) или неметалла (например, композитных материалов). Эффективность и качество резки напрямую зависят от материала инструмента, геометрических параметров, параметров резки (таких как скорость, скорость подачи, глубина резания), а также твердости и прочности материала заготовки. Будучи ключевым инструментом в обработке резанием, режущие инструменты из твердого сплава значительно улучшили точность резки, эффективность и срок службы инструмента благодаря своим превосходным характеристикам и стали неотъемлемой частью современного производства.
1.0.2 Что такое твердосплавные режущие инструменты?
Режущие инструменты из цементированного карбида — это режущие инструменты, изготовленные из цементированного карбида в качестве основного материала. Они широко используются при резке металла, неметаллической обработке и обработке композитных материалов. Благодаря своим превосходным механическим свойствам и долговечности они стали незаменимым основным оборудованием в современном производстве. Цементированный карбид — это композитный материал, изготовленный из карбида (например, карбида вольфрама WC, карбида титана TiC , карбида тантала TaC ) в качестве твердой фазы и металла (например, кобальта Co, никеля Ni) в качестве связующей фазы с помощью передовых процессов порошковой металлургии (включая смешивание, прессование, спекание и последующую обработку). Процесс его приготовления включает точное дозирование высокочистого сырья, высокотемпературное спекание (1400-1600 °C) в вакууме или инертной атмосфере и прецизионную механическую обработку или обработку покрытия для обеспечения однородности материала и стабильности характеристик. Его превосходные характеристики в основном отражаются в следующих ключевых аспектах:
Превосходные характеристики режущих инструментов из твердого сплава — высокая твердость
Диапазон твёрдости составляет HV 1600–2500 (±30), что значительно выше показателей традиционной быстрорежущей стали (HV 800–900) или инструментальной стали (HV 600–700). Эта особенность позволяет эффективно резать различные материалы высокой твердости, включая стали (например, углеродистую сталь Q235 HV 150-250±10, легированную сталь 40Cr HV 200-400±10), чугуны (например, серый чугун HT200 HV 150-220±10, ковкий чугун QT500 HV 200-250±10), а также труднообрабатываемые материалы (например, титановый сплав TC4 HV 300-400±10, сплав на основе никеля Inconel 718 HV 400-500±10) и сверхтвердые материалы (например, поликристаллический алмаз PCD HV >5000±50). Высокая твердость обеспечивает стабильность режущей кромки при высокоскоростной резке, предотвращает геометрическое смещение из-за износа и значительно продлевает срок службы инструмента (до сотен часов при подходящих условиях работы), что делает его особенно подходящим для высокоточных и непрерывных задач резки.
Превосходные эксплуатационные характеристики режущих инструментов из твердого сплава — превосходная прочность
Вязкость разрушения ( K ₁ c ) составляет 10-20 МПа·м¹ / ² (± 0,5), а динамический баланс между твердостью и вязкостью достигается путем регулирования содержания кобальта в связующей фазе (обычно 6% -20%) или добавления следов редкоземельных элементов (таких как Ce, La). Это свойство вязкости позволяет ему выдерживать высокочастотные удары, вибрацию и термические напряжения в процессе резания, особенно при прерывистом резании (например, обработка чугуна или заготовок с зазорами), обработке с большими нагрузками (например, сверление глубоких отверстий) или условиях прерывистой нагрузки. Кроме того, путем оптимизации размера зерна (0,5-2 мкм) или введения наноразмерных карбидов сопротивление материала распространению трещин дополнительно улучшается, что обеспечивает структурную целостность инструмента в сложных рабочих условиях.
Превосходные характеристики режущих инструментов из твердого сплава – износостойкость
Скорость износа составляет менее 0,05 мм³/Н·м (± 0,01 мм³/Н· м) . Благодаря высокой твердости карбидов и смазке связующей фазы инструмент может сохранять свои режущие свойства после длительной резки (срок службы >10 часов ±1 час, до 50-100 часов в зависимости от условий работы). Особенно в условиях высокой скорости (1000-2000 м/мин ±10 м/мин) или содержащих твердые частицы (такие как абразивы шлифовального круга, керамический порошок), твердосплавные инструменты показывают превосходную износостойкость. Эта износостойкость обусловлена синергетическим эффектом плотной структуры внутри материала (плотность >98% теоретического значения) и поверхностного покрытия (такого как TiN , Al₂O ₃ , TiAlN , толщина 5-25 мкм ) , широко используется в сценариях обработки с высокими нагрузками , таких как высокоскоростное фрезерование, сверление и точение.
Превосходные эксплуатационные характеристики режущих инструментов из твердого сплава – другие эксплуатационные преимущества
В дополнение к вышеуказанным основным характеристикам режущие инструменты из твердого сплава также обладают превосходной стойкостью к высокотемпературному окислению (устойчивы к 800-1000 °C), низким коэффициентом теплового расширения (около 4,5-6,0×10 ⁻ ⁶ / °C) и хорошей химической стабильностью (стойкость к кислотной и щелочной коррозии). Эти характеристики позволяют адаптировать его к различным средам обработки от комнатной температуры до высокой температуры (300-800 °C) и особенно подходят для аэрокосмической промышленности (например, обработка титановых сплавов), энергетической промышленности (например, лезвия из высокотемпературных сплавов) и электронной промышленности (например, высокоточная микрообработка). Кроме того, благодаря современным технологиям производства (например, горячее изостатическое прессование HIP и лазерная обработка поверхности) внутренние дефекты инструмента (такие как поры и трещины) эффективно уменьшаются, что дополнительно увеличивает срок его службы и надежность.
Применение и разработка режущего инструмента из твердого сплава
Область применения режущих инструментов из твердого сплава охватывает различные заготовки, такие как сталь, чугун, труднообрабатываемые материалы, цветные металлы, композитные материалы и сверхтвердые материалы. Они широко используются в автомобилестроении (например, детали двигателей), аэрокосмической промышленности (например, диски турбин), обработке пресс-форм (например, штамповочные штампы) и электронной промышленности (например, сверление печатных плат). С развитием Индустрии 4.0 и интеллектуального производства инструменты из твердого сплава движутся в сторону высокой производительности (например, нанопокрытия, градиентные материалы) и интеллекта, например, встроенных датчиков для контроля состояния износа или оптимизации параметров резки с помощью ИИ для достижения более высокой эффективности и более сложных потребностей.
11.0.3 Что такое режущие инструменты из твердого сплава?
Твердосплавные режущие инструменты — это режущие инструменты, изготовленные из твердого сплава в качестве основного материала. Благодаря своей превосходной твердости, износостойкости и прочности они широко используются при резке металлов и неметаллической обработке. Эти инструменты отвечают разнообразным потребностям от общей обработки до высокоточных и сложных условий работы за счет точного проектирования, передовых процессов обработки поверхности и геометрической оптимизации. Ниже приведены основные типы твердосплавных режущих инструментов и их характеристики, сценарии применения и технологии оптимизации, которые всесторонне и подробно объясняются в сочетании с отраслевой практикой и новейшими технологическими разработками.
(1) Твердосплавные токарные инструменты
являются основными инструментами в токарной обработке. Благодаря вращению заготовки и осевой или радиальной подаче инструмента выполняется резка внешнего круга, внутреннего отверстия, торца, ступеньки, резьбы и сложного контура. Твердосплавные токарные инструменты обычно изготавливаются из материалов высокой твердости (таких как YG6, YG8, YT15, YT30). Корпус инструмента включает в себя цельные твердосплавные, сварные твердосплавные лезвия или сменные конструкции лезвий для удовлетворения различных требований обработки. Передний угол инструмента (5°-15°±0,5°) и задний угол (6°-12°) геометрически точно оптимизированы для снижения силы резания и сопротивления стружке, а также повышения эффективности резания; вторичный задний угол (1°-3°) и фаска режущей кромки (0,1-0,2 мм) дополнительно повышают способность противостоять стружке. Широко используются технологии нанесения покрытий на поверхность, такие как PVD-покрытие ( TiN , TiCN , толщина 2-5 мкм ) и CVD-покрытие ( Al ₂O ₃ , TiAlN , толщина 5-25 мкм±0,1 мкм ) , что значительно повышает термостойкость (до 1000 °C), износостойкость и стойкость к окислению. В процессе резания токарный инструмент должен выдерживать стабильную нагрузку непрерывного резания или воздействие прерывистого резания. Срок службы обычно составляет 10-20 часов ( ±1 час), а точность может достигать <0,01 мм (±0,001 мм), что подходит для высокоточной обработки деталей. Его технические характеристики включают скорость резания 100-500 м/мин (±10 м/мин), твердость HV 1800-2200, вязкость разрушения 12-18 МПа·м ¹ / ², скорость износа <0,05 мм ³ / Н · м. Он широко используется в автомобильной промышленности для обработки коленчатых валов, распределительных валов и шатунов, изготовления пресс-форм, прецизионной токарной обработки полостей пресс-форм и штампов, а также для обработки наружных колец из титанового сплава и деталей из алюминиевого сплава в авиастроении.
(2) Фрезы из твердого сплава: Фрезы используются для высокоскоростной резки несколькими
лезвиями на фрезерном станке. Они подходят для обработки плоскостей, пазов, ступеней, сторон и сложных криволинейных поверхностей. Они являются основными инструментами многокоординатных обрабатывающих центров. Фрезы из твердого сплава включают концевые фрезы, торцевые фрезы, шаровые концевые фрезы и профильные фрезы. Обычно используемые марки включают YG10 (высокая прочность, подходит для прерывистой резки), YT30 (высокая термостойкость, подходит для условий высоких температур) и YW2 (превосходная общая производительность). Концевые фрезы в основном представляют собой цельные твердосплавные конструкции с 2-4 лезвиями и диаметром 3-20 мм. Они подходят для отверстий и пазов малого диаметра и для тонкой обработки. Торцевые фрезы имеют больший диаметр (50-200 мм) и используют сменные лезвия или интегральные конструкции. Они имеют 4-12 лезвий и подходят для фрезерования плоскостей большой площади. Фрезы с шаровидным концом и профильные фрезы используются для обработки сложных криволинейных поверхностей и пресс-форм. Геометрическая оптимизация включает угол наклона спирали (30°-45°±1°) для улучшения отвода стружки, положительный передний угол (5°-10°) для снижения силы резания и угол R (0,5-2 мм) для повышения прочности кромки. Покрытие CVD (например, TiAlN , Al₂O ₃ , толщина 10-25 мкм ) или PVD покрытие (например , CrN , толщина 2-5 мкм ) обеспечивает термостойкость (до 1100 °C) и защиту от износа. Скорость резки 200-1000 м/мин, срок службы 5-15 часов, точность <0,02 мм, его технические характеристики – твердость HV 1700-2100, вязкость разрушения 14-20 МПа·м ¹ / ² , высокая ударопрочность, основные сценарии применения включают аэрокосмическую обработку обшивок из алюминиевого сплава и компонентов из титанового сплава, фрезерование сложных поверхностей и штампов в литейной промышленности, а также обработку пазовых деталей и профилей зубчатых колес.
(3) Твердосплавные сверла
Твердосплавные сверла используются для сверления, заменяя традиционные сверла из быстрорежущей стали, и подходят для сверления глубоких отверстий, отверстий малого диаметра и многослойных материалов. Спиральные сверла являются универсальными, используют YG6X (нанокристаллическая структура, твердость HV 1900-2000), с углом наклона спирали 25°-35°±1°, и могут сверлить отверстия диаметром 5-50 мм, подходят для универсального сверления; сверла для глубоких отверстий (например, ружейные сверла) используют YW1, с соотношением длины к диаметру до 100:1, оснащены внутренними охлаждающими каналами для уменьшения накопления тепла и удаления стружки, подходят для обработки глубоких отверстий (например, >100 мм); ступенчатые сверла используют многослойную конструкцию лезвия, которая может обрабатывать ступенчатые отверстия разных диаметров одновременно, и широко используются в пресс-формах и механических деталях. Покрытие PVD (например, TiN , TiCN , толщина 10-15 мкм ) или CVD покрытие (алмаз, толщина 5-10 мкм ) повышает износостойкость и устойчивость к высоким температурам, скорость резания 50-300 м/мин, срок службы 10-30 часов, точность <0,01 мм. Его технические характеристики включают твердость HV 1800-2200, износостойкость <0,03 мм³ / Н · м , хорошую устойчивость к высоким температурам (до 900 °C), широко используется при сверлении автомобильных деталей (например, блоков цилиндров, шатунов), обработке электронных компонентов печатных плат и глубоком сверлении авиационных структурных деталей (например, шарниров крыльев). Ключом к оптимизации является добавление самосмазывающегося покрытия (например, MoS ₂ ) для снижения трения и оптимизации конструкции канавки для стружки для предотвращения засорения.
(4) Твердосплавные расточные инструменты
Расточные инструменты используются для расширения или точной настройки существующих диаметров отверстий. Твердосплавные расточные инструменты в основном являются регулируемыми, встроенными или сменными. Черновые расточные инструменты используют YG8 (высокая прочность, HV 1700-1900) с глубиной резания 1-5 мм, подходят для быстрой черновой обработки, и диапазон диаметров инструмента 20-150 мм; чистовые расточные инструменты используют YT5 (твердость HV 1750-1850) с глубиной резания 0,1-0,5 мм и точностью <0,005 мм, подходят для высокоточной обработки отверстий. Геометрия инструмента включает передний угол 5°-10° (отрицательный передний угол может использоваться для черновой расточки), вторичный задний угол 2°-5° и угол релаксации режущей кромки (0,2°-0,5°). Покрытие CVD (например, Al₂O ₃ , толщина 10-20 мкм ) или покрытие PVD (например, TiAlN ) повышает термостойкость и качество поверхности. Скорость резки составляет 100-400 м/мин, срок службы составляет 15-25 часов, а технические характеристики – вязкость разрушения 12-16 МПа·м ¹ / ² и шероховатость поверхности Ra <0,4 мкм . Основные сценарии применения включают чистовую расточку блока цилиндров двигателя (точность диаметра цилиндра <0,01 мм), обработку внутренних отверстий гидравлических деталей (например, корпус насоса) и прецизионную расточку пресс – форм (например, штамповочных штампов).
(5) Твердосплавные развертки (развертки)
Развертки используются для финишной обработки диаметра отверстия, улучшения округлости, допуска и отделки поверхности, и подходят для массового производства и требований высокой точности. Машинные развертки используют YG6 (твердость HV 1800-2000) с диапазоном диаметров 5-50 мм, 4-8 лезвий и длиной лезвия в 1,5-2 раза больше диаметра; регулируемые развертки используют YT 15 с диапазоном регулировки ±0,02 мм, что подходит для точной настройки диаметра отверстия и многоспециализированной обработки. Геометрическая конструкция включает прямые или спиральные лезвия (угол наклона спирали 5°-10°), передний угол 5°-8°, покрытие PVD (например, TiCN, толщина 10-15 мкм ) или покрытие CVD ( например, Al ₂ O ₃ ) для повышения износостойкости и предотвращения прилипания. Скорость резания 20-100 м/мин, срок службы 20-40 часов, точность <0,002 мм, его технические характеристики включают твердость HV 1800-2100, износостойкость <0,02 мм³/Н· м, широко используется для чистовой обработки отверстий подшипников (круглость <0,005 мм), отверстий валов трансмиссии автомобилей и деталей точных приборов (например, отверстий измерительных инструментов).
(6) Твердосплавные протяжки:
Протяжки используются для протяжки и подходят для массового производства шпоночных пазов, зубчатых форм, реек и сложных контуров. Круглые протяжки используют YW2 (высокая термостойкость, HV 1750-2000), диаметром 10-100 мм, 10-20 зубьев и прогрессивной высотой зубьев (0,1-0,5 мм/зуб); плоские протяжки используют YG10, шириной 20-100 мм и 15-30 зубьев, подходят для плоской протяжки. Геометрическая оптимизация включает передний угол 5°-10°, глубину стружечной канавки 2-5 мм, покрытие CVD (например, TiAlN , толщиной 15-20 мкм ) или покрытие PVD (например, CrN ) для повышения ударопрочности и термостойкости. Скорость резки составляет 10-50 м/мин, срок службы составляет 10-20 часов, а точность <0,01 мм. Его технические характеристики – вязкость разрушения 14-18 МПа·м ¹ / ² и отличная ударопрочность. Основные сценарии применения включают протяжку шпоночных пазов шестерен (модуль 1-5), вытяжку зубьев авиационных конструкционных деталей (например, соединителей фюзеляжа) и вытяжку пресс-форм (например, штамповочных штампов).
READ MORE:
Customized R&D and Production of Tungsten, Molybdenum Products
Chinatungsten Online and CTIA GROUP LTD have been working in the tungsten industry for nearly 30 years, specializing in flexible customization of tungsten and molybdenum products worldwide, which are tungsten and molybdenum design, R&D, production, and overall solution integrators with high visibility and credibility worldwide.
Chinatungsten Online and CTIA GROUP LTD provide products mainly including: tungsten oxide products, such as tungstates such as APT/WO3; tungsten powder and tungsten carbide powder; tungsten metal products such as tungsten wire, tungsten ball, tungsten bar, tungsten electrode, etc.; high-density alloy products, such as dart rods, fishing sinkers, automotive tungsten crankshaft counterweights, mobile phones, clocks and watches, tungsten alloy shielding materials for radioactive medical equipment, etc.; tungsten silver and tungsten copper products for electronic appliances. Cemented carbide products include cutting tools such as cutting, grinding, milling, drilling, planing, wear-resistant parts, nozzles, spheres, anti-skid spikes, molds, structural parts, seals, bearings, high-pressure and high-temperature resistant cavities, top hammers, and other standard and customized high-hardness, high-strength, strong acid and alkali resistant high-performance products. Molybdenum products include molybdenum oxide, molybdenum powder, molybdenum and alloy sintering materials, molybdenum crucibles, molybdenum boats, TZM, TZC, molybdenum wires, molybdenum heating belts, molybdenum spouts, molybdenum copper, molybdenum tungsten alloys, molybdenum sputtering targets, sapphire single crystal furnace components, etc.
For more information about tungsten carbide products, please visit the website: tungsten-carbide.com.cn
If you are interested in related products, please contact us:
Email: sales@chinatungsten.com
Tel: +86 592 5129696 / 86 592 5129595
