УДК
621.91
Верба І.І., Задерей О.М., Даниленко О.В.
Національний технічний університет України
„Київський політехнічний інститут імені Ігоря
Сікорського“
Сучасні
інструменти: щодо вибору типу.
Однією з
проблем сучасного машинобудування вважають узгодження між властивостями
інноваційних конструкційних матеріалів, обробка яких часто є задачею складною й
не тривіальною, та припустимими експлуатаційними вимогами до виробів з цих
матеріалів, відповідність яким зумовлюється станом обробленої поверхні. Саме ця
обставина визначає бажану взаємодію між оброблюваним та інструментальним
матеріалами в умовах лезової обробки різанням. Сьогодні існують матеріали, які
оптимізовані для найефективнішої обробки конкретних деталей в заданих умовах. Вибір найпридатнішого інструментального матеріалу є важливою задачею
підготовки виробництва. Можливі два шляхи:
¾ підбір
інструменту у точній відповідності до технологічного процесу, що забезпечує
максимальну ефективність використання часу, але умовою є наявність широкого
вибору інструментів та збільшення часу на їх заміну й налагоджування, тобто час
фактичної роботи верстата менше, а ефективність його використання зростає;
¾ застосування
універсальних металорізальних інструментів, що призводить до зменшення
кількості потрібних інструментів, але ефективність технологічного процесу
нижче.
Оптимальним є поєднання обох
підходів, що вимагає порівняння альтернативних варіантів.
Обгрунтований вибір
інструментальних матеріалів – умова досягнення максимальної ефективності
виробництва. Міцність ріжучої крайки повинна бути достатньою для того, щоб
витримати вплив сил різання в умовах реальної жорсткості системи верстат-пристосування-інструмент-деталь.
У багатьох випадках саме через недостатню
жорсткість верстатної системи відмовляються від використання крихких
інструментальних матеріалів та вимушено знижують режими різання, тобто й
продуктивність обробки. Збільшення параметрів режиму різання, що характерно для
сучасних інструментів, зумовлює скорочення часу обробки, але одночасно
зростають і витрати на інструмент через скорочення періоду його стійкості. В
цілому витрати на інструмент компенсуються зменшенням загальних витрат на
обробку.
Ріжучі інструменти окрім конструктивних відмінностей (інструмент з
перезагостренням ріжучої крайки, або із змінними багатогранними пластинами),
відрізняються як інструментальним матеріалом, так і складом, властивостями,
кількістю шарів покриття та способом його нанесення.
Як інструментальні матеріали використовують: швидкоріжучі сталі (червоностійкість 200-250° С), тверді сплави на основі
карбіду вольфраму або безвольфрамові (кермети –
комбінація кераміки й металу), що містять карбід
(TіC) та/чи нітрид (TіN) титану, карбіди танталу (TaC), ніобію (NbC) і в’яжуче – металевий кобальт (червоностійкість 600-620° С); кераміку (оксидну, нітридну, сіалон),
яка не містить металеве в’яжуче, тому зберігає твердість при нагріванні до 1200°С, може працювати при швидкості різання, що перевищує 500 м/хв, але має низьку міцність та в’язкість (червоностійкість 750-900° С); надтверді ріжучі матеріали: полікристалічний
кубічний нітрид бора (CBN), полікристалічний алмаз (PCD) – композитний
матеріал, що містить часточки алмазу й металеве в’яжуче [2, 3].
Розвиток інструментальних матеріалів став одним з
пріоритетів сучасної промисловості. Вимоги до матеріалу ріжучого інструменту:
твердіший за оброблюваний матеріал, стійкий до
деформацій і до зносу по задній поверхні, має збалансоване поєднання
твердості й в’язкості; міцний, стійкий до
викришування і поломки; хімічно нейтральний по відношенню до матеріалу
заготовки; зберігає свої властивості в умовах високої температури;
здатний до експлуатації на високих швидкостях та з великими подачами. Ні один з інструментальних матеріалів не
відповідає всім вимогам, які висувають умови обробки, але, наприклад, твердий
сплав може працювати у широкому діапазоні умов і застосовуватися на різних
операцій, бо має вдале поєднання властивостей з точки зору металообробки.
Твердосплавні пластини з покриттями з карбіда й нітридів титану ефективні для
більшості видів обробки різанням конструкційних сталей і сірих чавунів. За
важких умов різання їхня ефективність зменшується, але для сплавів без покриття
в цьому випадку взагалі характерні викришування й сколювання [3].
Наноструктуровані покриття зумовлюють збільшення стійкості інструменту й опору
зношуванню, тож і ефективність в умовах
високих навантажень на ріжучу крайку, які характерні для обробки титана й
жароміцних сплавів, що використовуються, наприклад, у авіаційній промисловості.
Інструмент з покриттям є дорожчим за звичайний, тобто доцільність його застосування
треба обгрунтовувати з економічних міркувань. Використання ріжучого інструменту
з покриттям вимагає виконання певних вимог
не лише щодо його виробництва, а й стосовно грамотної організації експлуатації,
в першу чергу – використання лише для відповідних технологічних умов обробки
(наприклад, покриття зменшують знос різального інструменту тільки в тому
випадку, коли не виникають макросколювання чи тріщини через невірно підібране
співвідношення навантаження і в'язкості інструментального матеріалу).
Використання покриттів на режимах, типових для обробки інструментом без
покриттів, може зумовити непередбачуваний ефект, зокрема й негативний [4].
Прогнозування найефективнішого покриття для конкретних технологічних умов
обробки вимагає математичного моделювання (надійні математичні моделі відсутні)
або трудомістких експериментів – шлях, що є придатним лише для великих фірм -
виробників.
Фірми-виробники надають
рекомендації щодо застосування своєї продукції відповідно до області
застосування (точіння, фрезерування і т. ін.), типу (чистова, чорнова тощо) й
умов (хороші, нормальні, важкі) обробки. Покриття різних виробників, попри
часто однакові складові, суттєво різняться, як відрізняються й рекомендації
щодо їхнього використання [1, 2, 3]. В численних інформаційних джерелах є пояснення
механізму дії покриттів, але загальна теорія й досі відсутня, а рекомендації
виробників грунтуються на експериментальних даних та практичному досвіді.
Існують таблиці відповідності марок інструментальних сплавів з покриттями для
точіння, фрезерування тощо різних виробників [2, 3].
Існують компанії та центри
(наприклад, ТЦ «ВариУс»), яким можна замовити комплексний розв’язок задачі
обробки конкретної деталі: обрати верстат, інструментальне забезпечення,
розробити технологічний процес, оснащення, програмне забезпечення. Обладнання,
інструмент, оснащення, режими різання підбирають з умови максимальної програми
випуску деталей при мінімальних витратах і мінімальних простоях верстата.
Компанія Seco tools AB пропонує рішення для бізнесу (Seco Business Solutions),
які дозволяють підвищити продуктивність та зменшити витрати виробництва більш
ніж на 30% за рахунок обгрунтованого вибору інструменту (програмний пакет
WinTool) й ефективного режиму різання (пакет SecoCut), а також системи аналізу
продуктивності та витрат(програма PCA) і концепції SecoPointтм обліку й збереження інструментів. Але за всіх умов користувач
повинен хоча б поверхово орієнтуватися у типах покриттів, їхніх можливостях,
рекомендованих областях застосування і обмеженнях. Тоді він зрозуміє й зможе
грамотно реалізувати рекомендації виробників або проектувальників, а у разі
потреби – застосувати інструмент іншого виробника.
Література
1. Максимов
М.
Износостойкие покрытия как движитель инновационного процесса в технологии
инструментальных материалов и современной металлообработке. – Режим доступу: http://www.nanonewsnet.ru/
2. http://www.sandvik.coromant.com/ru
3. Кировградский завод твердых сплавов (компанія РИТС) – Режим доступу: http://www.ritscomp.ru/TV_SP/material/material_06.htm