Что такое экзотические материалы, почему они такие редкие и как их обрабатывать? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте начнем с определения.

Основные обрабатываемые материалы – это сплавы на основе железа: сталь, нержавеющая сталь и чугун. К другой группе относятся материалы на основе цветных металлов, такие как алюминиевые сплавы, латунь и бронза.

Кроме того, существуют материалы для специального применения, которые реже встречаются и используются, а их обработка, как правило, стоит намного дороже.

Строгого определения таким материалам не существует. Многие специалисты относят к ним такие металлы, как бериллий, цирконий, керамика, композиционные материалы и жаропрочные сплавы. При рассмотрении конструкционных материалов следует различать жаропрочные сплавы и композиционные материалы. Одна из важных проблем, с которой сталкивается металлообрабатывающей промышленности – плохая обрабатываемость этих материалов. Жаропрочные сплавы предназначены для работы при тяжелых механических нагрузках с высокими температурами. Они широко используются в производстве газовых турбин, трубопроводной арматуры и нефтехимического оборудования. Их особенностью является высокая устойчивость к ползучести для сохранения прочности при высоких температурах. По основным компонентам жаропрочные сплавы можно разделить на 3 группы: сплавы на основе никеля (Ni), кобальта (Co) и железа (Fe). Химический состав этих сплавов, особенно на основе никеля и кобальта напрямую связан с плохой обрабатываемостью.

Композиты — это многокомпонентные материалы. Композиционные заготовки имеют форму, близкой к заданной, благодаря чему не требуется значительного снятия материала. Тем не менее, составные элементы композитов имеют разные свойства, которые образуют неоднородную структуру, что затрудняет их обрабатываемость. Обработка композитов больше похожа на дробление, чем на резание и в этом их отличие от металлов. Высокая абразивность композиционных материалов приводит к интенсивному затуплению инструмента, снижению производительности, точности и дефектам обработки.

Металлообрабатывающей промышленности удалось добиться значительных успехов в обработке экзотических материалов. Современные стратегии и режущий инструмент возвели производительность на совершенно иной уровень. Новый шаг в 3D-печати позволит уменьшить количество операций при механической обработке, что выглядит многообещающим. Но есть одно "исключение", которое все еще ограничивает полное использование возможностей станка – режущий инструмент. Несмотря на заметный прогресс, режущий инструмент остается "узким местом" в производительной обработке жаропрочных сплавов.

Производители режущего инструмента прикладывают все усилия для поиска эффективных и надежных решений для высокопроизводительного резания. Может показаться, что традиционных источников для серьезного прогресса практически не существует и что прорыв в этой области может быть связан только с настоящей новинкой. Несмотря на это, производителям режущего инструмента по-прежнему удается создавать интересные продукты, сочетающие в себе уже имеющиеся средства и ресурсы с новыми идеями. Разработки ISCAR, которые были внедрены в течение последних лет, являются хорошим примером таких продуктов и усилий ISCAR, направленных на устранение существующих "узких мест".


Экзотика за экзотикой: многообещающая керамика
Твердый сплав по-прежнему является основным режущим материалом. Появление твердосплавного инструмента произвело настоящий прорыв в металлообрабатывающей отрасли, обеспечив значительной рост производительности за счет резкого увеличения скорости резания. Однако, несмотря на это, скорости резания при обработке труднообрабатываемых жаропрочных сплавов на основе Ni и Co невысокие: стандартный диапазон 25-50 м/мин. Как же увеличить эти значения?

В качестве материала для режущего инструмента успешно зарекомендовала себя керамика. Увеличение скорости резания до 1000 м/мин при обработке жаропрочных сплавов стало реальностью. Поэтому инструмент из керамики обретает все большую популярность для обработки HTSA.

Совсем недавно ISCAR представил ассортимент насадных фрез с двухсторонними керамическими пластинами (Рис. 1). Фрезы предназначены для черновой и получистовой обработки плоскостей и фасонных поверхностей с очень высокими скоростями резания. Конструкция пластин обеспечивает высокий коэффициент использования керамики. Инструмент изготавливается из нескольких керамических сплавов, таких как «черная керамика», вискерная армированная керамика и SiAlON (керамика на основе нитрида кремния). Фрезы применяются для работы с высокой скоростью съема металла (MRR) и существенным сокращением машинного времени.

Еще один пример успешного использования керамики воплощен в монолитных фрезах ISCAR из SiAlON. Фрезы предназначены для производительной черновой обработки жаропрочных сплавов на основе никеля, таких как Inconel, Incoloy, Haynes в аэрокосмической промышленности. По сравнению с обычными твердосплавными концевыми фрезами использование фрез из SiAlON позволяет увеличить скорость резания в 50 раз!

Следует отметить, что инструмент из керамики отличается от твердосплавного. Как правило, конец срока службы инструмента определяется допустимым уровнем качества поверхности или образованием заусенцев, а не величиной износа.

Режущий алмаз
При производстве изделий из композиционных материалов сверление является основной операцией. Совершенствующиеся возможности сверлильного инструмента напрямую влияют на эффективность обработки композитов и композитных пакетов.

Недавно ISCAR представил серию монолитных сверл с диапазоном диаметров 3.3–12 мм для обработки композитов (рис. 2). Отличительной особенностью этих сверл является покрытие из поликристаллического алмаза (PCD) или алмазное покрытие с высокой устойчивостью к абразивному износу. Сверла подразделяются на несколько типов: один тип – сверла с наконечником из PCD, второй – сверла с кристаллическими пластинками. Оба типа сверл имеют большую область для переточки.

Третий тип – твердосплавные сверла с алмазным покрытием режущей поверхности. Волнистые режущие кромки уменьшают образование заусенцев, особенно при обработке пластика, армированного углеродным волокном (CFRP), и пакетов CFRP-алюминий.

Решающее охлаждение
При обработке экзотических суперсплавов эффективная подача СОЖ является залогом успеха. Точечный подвод охлаждения под высоким давлением (HPC) существенно повышает производительность, срок службы инструмента и улучшает дробление стружки.

Одна из последних разработок ISCAR – серия токарного инструмента со сменными пластинами ISO (рис. 3). В конструкции инструмента используется верхний прижим для надежной фиксации пластины даже при тяжелой обработке и прерывистом резании. Предыдущие серии инструмента с подводом СОЖ под высоким давлением были оснащены механизмом рычажного крепления, поскольку верхний прижим препятствовал потоку охлаждения достигать режущей кромки.

Новая серия с верхним прижимом с углублением решает сразу две задачи:
- надежное и жесткое закрепление пластин
- беспрепятственное охлаждение режущей кромки

Таким образом, прижим, который служит соплом охлаждающей жидкости, выполняет дополнительную важную функцию.

Инструмент с функцией подвода СОЖ под высоким давлением через корпус также показывает отличную производительность при низком давлении охлаждающей жидкости (10-15 бар).

При отрезке и обработке канавок (особенно глубоких) эффективное стружкообразование имеет решающее значение. Точечное охлаждение препятствует пакетированию стружки и образованию наростов на режущей кромке. В течение последнего года ISCAR расширил номенклатуру продукции и представил инструмент для прорезки канавок с подводом СОЖ с давлением до 140 бар (рис. 4).

Совершенствование геометрии никогда не прекращается
Для совершенствования геометрии резания используются все возможности. Хорошим доказательством является множество новых решений, которые модернизировали существующие сменные пластины. Обычно такие решения связаны со стружкообразованием, усилением и подготовкой режущих кромок.

Новый стружколом F3S для чистовой обработки жаропрочных сплавов (рис. 5) предназначен для популярных пластин ISO (CNMG, WNMG и т. д.). Чистовая обработка характеризуется малой глубиной резания и низкими подачами. Главная особенность стружколома заключается в небольшой поверхности, прилегающей к режущей кромке. Требуется настоящее инженерное искусство и немало усилий, чтобы переконструировать эту поверхность и, тем самым, увеличить производительность.

Стружколом F3F – это отличная демонстрация достижений. Усиленная режущая кромка противостоит образованию проточин, специальный дефлектор способствует эффективному отводу стружки при чистовой обработке жаропрочных сплавов. В сочетании с положительным передним углом данные преимущества обеспечивают плавную обработку, превосходное дробление стружки и значительное снижение сил резания.

Обработка жаропрочных сплавов ставит перед производителями инструмента разные задачи. Поиск новых решений для постоянного усовершенствования своей продукции и ответов на новые вызовы металлообрабатывающей промышленности являются приоритетной задачей компании ISCAR, с которыми она успешно справляется.

Рис. 1


Рис. 2


Рис. 3


Рис. 4


Рис. 5