1. Basiseigenschappen die gereedschapsmaterialen moeten hebben
De selectie van gereedschapsmaterialen heeft een grote impact op de levensduur van het gereedschap, de verwerkingsefficiëntie, de verwerkingskwaliteit en de verwerkingskosten. Bij het snijden moeten gereedschappen bestand zijn tegen hoge druk, hoge temperaturen, wrijving, impact en trillingen. Daarom moeten gereedschapsmaterialen de volgende basiseigenschappen hebben:
(1) Hardheid en slijtvastheid. De hardheid van het gereedschapsmateriaal moet hoger zijn dan de hardheid van het werkstukmateriaal, over het algemeen vereist boven 60HRC. Hoe hoger de hardheid van het gereedschapsmateriaal, hoe beter de slijtvastheid.
(2) Sterkte en taaiheid. Het gereedschapsmateriaal moet een hoge sterkte en taaiheid hebben om snijkracht, impact en trillingen te weerstaan en brosse breuk en afbrokkeling van het gereedschap te voorkomen.
(3) Hittebestendigheid. Het gereedschapsmateriaal moet een goede hittebestendigheid hebben, bestand zijn tegen hoge snijtemperaturen en een goed antioxiderend vermogen hebben.
(4) Procesprestaties en economie. Het gereedschapsmateriaal moet goede smeedprestaties, warmtebehandelingsprestaties, lasprestaties, slijpprestaties, enz. hebben en moet een hoge prestatie-prijsverhouding nastreven.
2. Typen, prestaties, kenmerken en toepassingen van gereedschapsmaterialen
1. Typen, eigenschappen en kenmerken van diamantgereedschapsmaterialen en gereedschapstoepassingen
Diamant is een allotroop van koolstof en is het hardste materiaal dat in de natuur voorkomt. Diamantgereedschappen hebben een hoge hardheid, hoge slijtvastheid en hoge thermische geleidbaarheid en worden veel gebruikt bij de verwerking van non-ferrometalen en niet-metalen materialen. Vooral bij het snel snijden van aluminium en silicium-aluminiumlegeringen zijn diamantgereedschappen de belangrijkste snijgereedschapssoort die moeilijk te vervangen is. Diamantgereedschappen die een hoge efficiëntie, hoge stabiliteit en lange levensduur kunnen bereiken, zijn een onmisbaar en belangrijk gereedschap in moderne CNC-verwerking.
1) Soorten diamantgereedschappen
① Natuurlijke diamantgereedschappen: Natuurlijke diamant wordt al honderden jaren gebruikt als snijgereedschap. Na fijn slijpen kan het natuurlijke monokristaldiamantgereedschap extreem scherp zijn, met een snijkantradius van maximaal 0.002μm, wat ultradunne sneden kan bereiken en extreem hoge werkstukprecisie en extreem lage oppervlakteruwheid kan verwerken. Het is een erkend, ideaal en onvervangbaar ultraprecies bewerkingsgereedschap.
② PCD-diamantgereedschap: Natuurlijke diamant is duur en de meest gebruikte diamant voor het snijden is polykristallijne diamant (PCD). Sinds het begin van de jaren 70, na de succesvolle ontwikkeling van polykristallijne diamant (Polycrystauine diamant, ook wel PCD genoemd) bladen die zijn bereid met behulp van hoge temperatuur- en hoge druksynthesetechnologie, zijn natuurlijke diamantgereedschappen in veel gevallen vervangen door kunstmatige polykristallijne diamant. PCD-grondstoffen zijn er in overvloed en de prijs ervan is slechts een paar tienden tot een dozijn van natuurlijke diamant.
PCD-gereedschappen kunnen geen extreem scherpe randen slijpen en de oppervlaktekwaliteit van het bewerkte werkstuk is niet zo goed als die van natuurlijke diamant. Momenteel is het niet eenvoudig om PCD-bladen met spaanbrekers in de industrie te produceren. Daarom kan PCD alleen worden gebruikt voor precisiesnijden van non-ferrometalen en niet-metalen en is het moeilijk om ultraprecieze spiegelsnede te bereiken.
③ CVD-diamantgereedschappen: CVD-diamanttechnologie is in Japan verschenen sinds eind jaren 70 en begin jaren 80. CVD-diamant verwijst naar de synthese van diamantfilm op een heterogeen substraat (zoals hardmetaal, keramiek, enz.) door chemische dampdepositie (CVD). CVD-diamant heeft dezelfde structuur en eigenschappen als natuurlijke diamant.
De prestaties van CVD-diamant komen heel dicht in de buurt van die van natuurlijke diamant. Het heeft de voordelen van natuurlijke monokristallijne diamant en polykristallijne diamant (PCD), en overwint tot op zekere hoogte hun tekortkomingen.
(2) Prestatiekenmerken van diamantgereedschappen
① Extreem hoge hardheid en slijtvastheid: Natuurlijke diamant is de hardste substantie die in de natuur voorkomt. Diamant heeft een extreem hoge slijtvastheid. Bij het verwerken van materialen met een hoge hardheid is de levensduur van diamantgereedschappen 10 tot 100 keer die van hardmetalen gereedschappen, of zelfs tot enkele honderden keren.
② Zeer lage wrijvingscoëfficiënt: De wrijvingscoëfficiënt tussen diamant en sommige non-ferrometalen is lager dan die van andere gereedschappen. Een lage wrijvingscoëfficiënt betekent minder vervorming tijdens de verwerking, wat de snijkracht kan verminderen.
③ Zeer scherpe snijkant: De snijkant van diamantgereedschappen kan zeer scherp worden geslepen. Natuurlijke enkelvoudige kristaldiamantgereedschappen kunnen zo scherp zijn als 0.002-0.008μm, wat ultradunne sneden en ultraprecieze verwerking kan uitvoeren.
④ Zeer hoge thermische geleidbaarheid: Diamant heeft een hoge thermische geleidbaarheid en thermische diffusie, waardoor snijwarmte gemakkelijk wordt afgevoerd en de temperatuur van het snijgedeelte van het gereedschap laag is.
⑤ Lage thermische uitzettingscoëfficiënt: De thermische uitzettingscoëfficiënt van diamant is enkele malen kleiner dan die van hardmetaal. Bovendien is de verandering in gereedschapsgrootte als gevolg van snijwarmte zeer klein, wat vooral belangrijk is voor precisie- en ultraprecieze verwerking met hoge eisen aan de maatnauwkeurigheid.
(3) Toepassing van diamantgereedschappen
Diamantgereedschappen worden meestal gebruikt voor het fijn snijden en boren van non-ferrometalen en niet-metalen materialen bij hoge snelheden. Geschikt voor het bewerken van verschillende slijtvaste niet-metalen, zoals glasvezelversterkte kunststof poedermetallurgie blanks, keramische materialen, etc.; verschillende slijtvaste non-ferrometalen, zoals verschillende silicium-aluminiumlegeringen; verschillende non-ferrometaalafwerkingen.
Het nadeel van diamantgereedschappen is dat ze een slechte thermische stabiliteit hebben. Wanneer de snijtemperatuur hoger is dan 700 graden ~ 800 graden, verliezen ze hun hardheid volledig; bovendien zijn ze niet geschikt voor het snijden van ferrometalen, omdat diamant (koolstof) gemakkelijk reageert met ijzeratomen bij hoge temperaturen, koolstofatomen omzet in grafietstructuren, en de gereedschappen raken gemakkelijk beschadigd.
2. Typen, eigenschappen en kenmerken van kubische boornitride-gereedschapsmaterialen en gereedschapstoepassingen
Kubieke boornitride (CBN), een tweede superhard materiaal dat wordt gesynthetiseerd met een methode die vergelijkbaar is met de diamantproductiemethode, staat op de tweede plaats na diamant in hardheid en thermische geleidbaarheid. Het heeft een uitstekende thermische stabiliteit en oxideert niet bij verhitting tot 10,000 graden in de atmosfeer. CBN heeft extreem stabiele chemische eigenschappen voor ferrometalen en kan op grote schaal worden gebruikt bij de verwerking van staalproducten.
(1) Soorten kubische boornitridegereedschappen
Cubic boron nitride (CBN) is een stof die niet in de natuur voorkomt. Het kan worden onderverdeeld in monokristal en polykristallijn, namelijk CBN monokristal en polykristallijn cubic boron nitride (PCBN afgekort). CBN is een van de allotropen van boornitride (BN) en heeft een structuur die lijkt op diamant.
PCBN (polykristallijn kubisch boornitride) is een polykristallijn materiaal dat wordt gemaakt door fijne CBN-materialen samen te sinteren via een bindingsfase (TiC, TiN, Al, Ti, enz.) onder hoge temperatuur en hoge druk. Het is momenteel het gereedschapsmateriaal met de hardheid die alleen na diamant is en dat kunstmatig wordt gesynthetiseerd. Het en diamant worden gezamenlijk superharde gereedschapsmaterialen genoemd. PCBN wordt voornamelijk gebruikt om gereedschappen of andere gereedschappen te maken.
PCBN-gereedschappen kunnen worden onderverdeeld in integrale PCBN-bladen en PCBN-composietbladen die zijn gesinterd met hardmetaal.
PCBN-composietbladen worden gemaakt door een laag van {{0}}.5-1.0mm dik PCBN te sinteren op een hardmetaal met goede sterkte en taaiheid. De prestaties combineren goede taaiheid met hoge hardheid en slijtvastheid. Het lost de problemen op van lage buigsterkte en moeilijk lassen van CBN-bladen.
(2) Belangrijkste eigenschappen en kenmerken van kubisch boornitride
Hoewel de hardheid van kubisch boornitride iets lager is dan die van diamant, is deze veel hoger dan die van andere materialen met een hoge hardheid. Het uitstekende voordeel van CBN is dat de thermische stabiliteit ervan veel hoger is dan die van diamant, die boven de 1200 graden kan komen (diamant is 700-800 graden ). Een ander uitstekend voordeel is dat het chemisch inert is en niet chemisch reageert met ijzer bij 1200-1300 graden . De belangrijkste prestatiekenmerken van kubisch boornitride zijn als volgt.
① Hoge hardheid en slijtvastheid: De kristalstructuur van CBN is vergelijkbaar met die van diamant en heeft een vergelijkbare hardheid en sterkte als diamant. PCBN is met name geschikt voor het verwerken van materialen met een hoge hardheid die voorheen alleen konden worden geslepen en kan een betere oppervlaktekwaliteit van het werkstuk verkrijgen.
② Hoge thermische stabiliteit: de hittebestendigheid van CBN kan 1400-1500 graden bereiken, wat bijna 1 keer hoger is dan die van diamant (700-800 graden). PCBN-gereedschappen kunnen hittebestendige legeringen en gehard staal snijden met een snelheid die 3-5 keer hoger is dan die van hardmetalen gereedschappen.
③ Uitstekende chemische stabiliteit: Het reageert niet chemisch met ijzermaterialen bij 1200-1300 graden en zal niet zo snel slijten als diamant. Op dit moment kan het nog steeds de hardheid van carbide behouden; PCBN-gereedschappen zijn geschikt voor het snijden van geharde stalen onderdelen en gekoeld gietijzer en kunnen op grote schaal worden gebruikt bij het snijden van gietijzer met hoge snelheid.
④ Goede thermische geleidbaarheid: Hoewel de thermische geleidbaarheid van CBN niet kan tippen aan die van diamant, staat de thermische geleidbaarheid van PCBN op de tweede plaats na diamant, en is deze veel hoger dan die van snelstaal en hardmetaal.
⑤ Lage wrijvingscoëfficiënt: Een lage wrijvingscoëfficiënt kan leiden tot een lagere snijkracht, een lagere snijtemperatuur en een betere oppervlaktekwaliteit tijdens het snijden.
(3) Toepassing van kubische boornitride-gereedschappen
Kubieke boornitride is geschikt voor het afwerken van diverse moeilijk te bewerken materialen, zoals gehard staal, hard gietijzer, hittebestendige legeringen, hardmetaal, oppervlaktespuitmaterialen, enz. De bewerkingsnauwkeurigheid kan IT5 bereiken (IT6 voor gaten) en de oppervlakteruwheidswaarde kan zo klein zijn als Ra1,25~0.20μm.
Kubieke boornitride gereedschapsmaterialen hebben een slechte taaiheid en buigsterkte. Daarom zijn kubieke boornitride draaigereedschappen niet geschikt voor ruwe bewerking bij lage snelheid en met hoge impactbelasting; tegelijkertijd zijn ze niet geschikt voor het snijden van materialen met een hoge plasticiteit (zoals aluminiumlegering, koperlegering, nikkellegering, staal met een hoge plasticiteit, enz.), omdat bij het snijden van deze metalen een ernstige opbouw van de rand zal ontstaan, die het bewerkte oppervlak zal verslechteren.
3. Typen, eigenschappen en kenmerken van keramische gereedschapsmaterialen en gereedschapstoepassingen
Keramische gereedschappen hebben de kenmerken van hoge hardheid, goede slijtvastheid, uitstekende hittebestendigheid en chemische stabiliteit, en zijn niet gemakkelijk te verbinden met metalen. Keramische gereedschappen nemen een zeer belangrijke positie in bij CNC-bewerking. Keramische gereedschappen zijn een van de belangrijkste gereedschappen geworden voor het snijden met hoge snelheid en moeilijk te bewerken materialen. Keramische gereedschappen worden veel gebruikt bij het snijden met hoge snelheid, droog snijden, hard snijden en het snijden van moeilijk te bewerken materialen. Keramische gereedschappen kunnen efficiënt zeer harde materialen verwerken die traditionele gereedschappen helemaal niet kunnen verwerken, waardoor "draaien in plaats van slijpen" wordt gerealiseerd; de optimale snijsnelheid van keramische gereedschappen kan 2 tot 10 keer hoger zijn dan die van hardmetalen gereedschappen, waardoor de snijproductie-efficiëntie aanzienlijk wordt verbeterd; de belangrijkste grondstoffen die worden gebruikt in keramische gereedschapsmaterialen zijn de meest voorkomende elementen in de aardkorst. Daarom is de promotie en toepassing van keramische gereedschappen van groot belang voor het verbeteren van de productiviteit, het verlagen van verwerkingskosten en het besparen van strategische edelmetalen, en zal ook de vooruitgang van snijtechnologie aanzienlijk bevorderen.
(1) Soorten keramische gereedschapsmaterialen
Keramische gereedschapsmaterialen kunnen over het algemeen worden onderverdeeld in drie categorieën: op aluminium gebaseerde keramiek, op siliciumnitride gebaseerde keramiek en samengestelde siliciumnitride-alumina-gebaseerde keramiek. Van deze categorieën worden op aluminium en siliciumnitride gebaseerde keramische gereedschapsmaterialen het meest gebruikt. De prestaties van op siliciumnitride gebaseerde keramiek zijn superieur aan die van op aluminium gebaseerde keramiek.
(2) Prestaties en kenmerken van keramische gereedschappen
De prestatiekenmerken van keramisch gereedschap zijn als volgt:
① Hoge hardheid en goede slijtvastheid: Hoewel de hardheid van keramische gereedschappen niet zo hoog is als die van PCD en PCBN, is deze veel hoger dan die van hardmetaal en snelstaalgereedschappen, en bereikt 93~95HRA. Keramische gereedschappen kunnen materialen met een hoge hardheid verwerken die moeilijk te verwerken zijn met traditionele gereedschappen, en zijn geschikt voor snijden met hoge snelheid en hard snijden.
② Hoge temperatuurbestendigheid en goede hittebestendigheid: Keramische gereedschappen kunnen nog steeds snijden bij hoge temperaturen boven 1200 graden. Keramische gereedschappen hebben uitstekende mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen. Al2O3 keramische gereedschappen hebben een bijzonder goede oxidatiebestendigheid. De snijkant kan continu worden gebruikt, zelfs in een gloeiend hete toestand. Daarom kunnen keramische gereedschappen droog snijden, waardoor de noodzaak voor snijvloeistof wordt geëlimineerd.
③ Goede chemische stabiliteit: Keramische gereedschappen hechten niet gemakkelijk aan metalen en zijn corrosiebestendig en chemisch stabiel, wat de slijtage van de hechting van gereedschappen kan verminderen.
④ Lage wrijvingscoëfficiënt: Keramische gereedschappen hebben een lage affiniteit met metalen en een lage wrijvingscoëfficiënt, wat de snijkracht en snijtemperatuur kan verlagen.
(3) Toepassingen van keramische gereedschappen
Keramiek is een van de gereedschapsmaterialen die voornamelijk worden gebruikt voor snelle afwerking en semi-afwerking. Keramische gereedschappen zijn geschikt voor het snijden van verschillende soorten gietijzer (grijs gietijzer, nodulair gietijzer, smeedbaar gietijzer, gekoeld gietijzer, slijtvast gietijzer met een hoge legering) en staalsoorten (koolstofconstructiestaal, gelegeerd constructiestaal, staal met hoge sterkte, staal met een hoog mangaangehalte, geblust staal, enz.) en kunnen ook worden gebruikt om koperlegeringen, grafiet, technische kunststoffen en composietmaterialen te snijden.
Keramische gereedschapsmaterialen hebben problemen met een lage buigsterkte en een slechte slagvastheid. Ze zijn daarom niet geschikt voor het snijden bij lage snelheid en slagbelasting.
4. Prestaties en kenmerken van gecoate gereedschapsmaterialen en toepassing van gereedschappen
Coating tools is een van de belangrijke manieren om de prestaties van gereedschappen te verbeteren. De opkomst van gecoate gereedschappen heeft een grote doorbraak in de snijprestaties van gereedschappen teweeggebracht. Gecoate gereedschappen worden gemaakt door een of meer lagen vuurvaste verbindingen met een goede slijtvastheid op een taai gereedschapslichaam te coaten. Ze combineren het gereedschapssubstraat met een harde coating, waardoor de prestaties van gereedschappen aanzienlijk worden verbeterd. Gecoate gereedschappen kunnen de verwerkingsefficiëntie verbeteren, de verwerkingsnauwkeurigheid verbeteren, de levensduur van gereedschappen verlengen en de verwerkingskosten verlagen.
Ongeveer 80% van de snijgereedschappen die in nieuwe CNC-machinegereedschappen worden gebruikt, gebruiken gecoate gereedschappen. Gecoate gereedschappen zullen in de toekomst de belangrijkste gereedschapsvariëteit op het gebied van CNC-bewerking zijn.
(1) Soorten gecoate gereedschappen
Afhankelijk van de coatingmethode kunnen gecoate gereedschappen worden onderverdeeld in chemische dampdepositie (CVD) gecoate gereedschappen en fysieke dampdepositie (PVD) gecoate gereedschappen. Gecoate hardmetalen gereedschappen gebruiken over het algemeen chemische dampdepositie en de depositietemperatuur is ongeveer 1000 graden. Gecoate gereedschappen van snelstaal gebruiken over het algemeen fysieke dampdepositie en de depositietemperatuur is ongeveer 500 graden.
Afhankelijk van de verschillende basismaterialen van gecoate gereedschappen, kunnen gecoate gereedschappen worden onderverdeeld in met hardmetaal gecoate gereedschappen, met snelstaal gecoate gereedschappen en met keramiek en superharde materialen (diamant en kubisch boornitride).
Volgens de eigenschappen van de coatingmaterialen kunnen gecoate gereedschappen worden onderverdeeld in twee categorieën, namelijk "harde" gecoate gereedschappen en "zachte" gecoate gereedschappen. Het hoofddoel van "harde" gecoate gereedschappen is een hoge hardheid en slijtvastheid. De belangrijkste voordelen zijn een hoge hardheid en goede slijtvastheid. Typische voordelen zijn TiC- en TiN-coatings. Het doel van "zachte" gecoate gereedschappen is een lage wrijvingscoëfficiënt, ook wel bekend als zelf-smerende gereedschappen. De wrijvingscoëfficiënt met het werkstukmateriaal is erg laag, slechts ongeveer 0.1, wat de hechting kan verminderen, de wrijving kan verminderen en de snijkracht en snijtemperatuur kan verlagen.
Onlangs zijn nano-gecoate gereedschappen ontwikkeld. Dit type gecoate gereedschappen kan verschillende combinaties van verschillende coatingmaterialen gebruiken (zoals metaal/metaal, metaal/keramiek, keramiek/keramiek, etc.) om te voldoen aan verschillende functionele en prestatievereisten. Redelijk ontworpen nano-coatings kunnen ervoor zorgen dat gereedschapsmaterialen uitstekende anti-wrijvings- en anti-slijtagefuncties en zelf-smerende eigenschappen hebben, die geschikt zijn voor droog snijden op hoge snelheid.
(2) Kenmerken van gecoate gereedschappen
De prestatiekenmerken van gecoate gereedschappen zijn als volgt:
① Goede mechanische en snijprestaties: Gecoate gereedschappen combineren de uitstekende eigenschappen van het basismateriaal en het coatingmateriaal, waarbij de goede taaiheid en hoge sterkte van het basismateriaal behouden blijven, terwijl ze ook de hoge hardheid, hoge slijtvastheid en lage wrijvingscoëfficiënt van de coating hebben. Daarom kan de snijsnelheid van gecoate gereedschappen met meer dan 2 keer worden verhoogd in vergelijking met ongecoate gereedschappen, en is een hogere voedingssnelheid toegestaan. De levensduur van gecoate gereedschappen wordt ook verbeterd.
② Sterke veelzijdigheid: Gecoate gereedschappen hebben een grote veelzijdigheid en breiden het verwerkingsbereik aanzienlijk uit. Eén gecoat gereedschap kan meerdere ongecoate gereedschappen vervangen.
③ Coating dikte: De levensduur van het gereedschap zal toenemen met de toename van de coating dikte, maar wanneer de coating dikte verzadiging bereikt, zal de levensduur van het gereedschap niet langer significant toenemen. Wanneer de coating te dik is, is het gemakkelijk om afbladdering te veroorzaken; wanneer de coating te dun is, is de slijtvastheid slecht.
④ Naslijpen: Het naslijpen van gecoate bladen is slecht, de coatingapparatuur is complex, de procesvereisten zijn hoog en de coatingtijd is lang.
⑤ Coatingmateriaal: Gereedschappen met verschillende coatingmaterialen hebben verschillende snijprestaties. Bijvoorbeeld: TiC-coating heeft een voordeel bij lage snelheidssnijden; TiN is geschikter voor hoge snelheidssnijden.
(3) Toepassing van gecoate gereedschappen
Gecoate gereedschappen hebben een groot potentieel op het gebied van CNC-bewerking en zullen in de toekomst het belangrijkste gereedschapstype zijn op het gebied van CNC-bewerking. Coatingtechnologie is toegepast op frezen, ruimers, boren, gereedschappen voor het bewerken van samengestelde gaten, tandwielfrezen, tandwielvormfrezen, tandwielschaaffrezen, vormbrootsen en verschillende op machines gemonteerde indexeerbare inzetstukken om te voldoen aan de behoeften van het snijden met hoge snelheid van verschillende soorten staal en gietijzer, hittebestendige legeringen en non-ferrometalen.
5. Typen, eigenschappen, kenmerken en toepassingen van hardmetalen gereedschapsmaterialen
Gecementeerde hardmetalen gereedschappen, met name indexeerbare gecementeerde hardmetalen gereedschappen, zijn de belangrijkste producten van CNC-bewerkingsgereedschappen. Sinds de jaren 80 zijn verschillende soorten integrale en indexeerbare gecementeerde hardmetalen gereedschappen of bladen uitgebreid naar verschillende snijgereedschapsvelden. Daaronder zijn indexeerbare gecementeerde hardmetalen gereedschappen uitgebreid van eenvoudige draaigereedschappen en vlakfrezen naar verschillende precisie-, complexe en vormende gereedschapsvelden.
(1) Soorten hardmetalen gereedschappen
Afhankelijk van de chemische hoofdsamenstelling kan hardmetaal worden onderverdeeld in hardmetaal op basis van wolfraamcarbide en hardmetaal op basis van titaancarbide (nitride) (TiC (N)).
Wolfraamcarbide-gebaseerd gecementeerd carbide omvat drie typen: wolfraamkobalttype (YG), wolfraamkobalttitaniumtype (YT) en zeldzaam toegevoegd carbidetype (YW). Ze hebben elk hun eigen voor- en nadelen. De hoofdcomponenten zijn wolfraamcarbide (WC), titaniumcarbide (TiC), tantaalcarbide (TaC), niobiumcarbide (NbC), enz. De meest gebruikte metaalbindingsfase is Co.
Hardmetaal op basis van titaniumcarbide (nitride) is een hardmetaal met TiC als hoofdbestanddeel (sommige hebben andere carbiden of nitriden toegevoegd). De meest gebruikte metaalbindingsfasen zijn Mo en Ni.
ISO (International Organization for Standardization) verdeelt het snijden van hardmetaal in drie categorieën:
Categorie K, inclusief Kl0~K40, gelijk aan de YG-categorie van mijn land (het hoofdonderdeel is WC-Co).
Categorie P, inclusief P01~P50, gelijk aan de YT-categorie van mijn land (het hoofdbestanddeel is WC-TiC-Co).
Categorie M, inclusief M10~M40, gelijk aan de YW-categorie van mijn land (het hoofdbestanddeel is WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Elk merk wordt weergegeven door een nummer tussen 01 en 50, dat een reeks legeringen vertegenwoordigt van hoge hardheid tot maximale taaiheid.
(2) Prestatiekenmerken van hardmetalen gereedschappen
De prestatiekenmerken van hardmetalen gereedschappen zijn als volgt:
① Hoge hardheid: hardmetalen gereedschappen zijn gemaakt van carbiden (harde fase genoemd) met een hoge hardheid en smeltpunt en metaalbindmiddel (bindingsfase genoemd) door middel van poedermetallurgie. Hun hardheid bereikt 89-93HRA, wat veel hoger is dan snelstaal. Bij 5400 graden kan de hardheid nog steeds 82-87HRA bereiken, wat hetzelfde is als de hardheid van snelstaal bij kamertemperatuur (83-86HRA). De hardheidswaarde van hardmetaal varieert met de aard, hoeveelheid, deeltjesgrootte en inhoud van de metaalbindingsfase van carbiden, en neemt over het algemeen af met de toename van het gehalte aan de bindingsmetaalfase. Wanneer het gehalte aan de bindingsfase hetzelfde is, is de hardheid van YT-legering hoger dan die van YG-legering, en de legering met toegevoegde TaC (NbC) heeft een hogere hardheid bij hoge temperaturen.
② Buigsterkte en taaiheid: De buigsterkte van veelgebruikt hardmetaal ligt in het bereik van 900-1500MPa. Hoe hoger het gehalte aan metaalbindingsfase, hoe hoger de buigsterkte. Wanneer het bindmiddelgehalte hetzelfde is, is de sterkte van YG-type (WC-Co) legering hoger dan die van YT-type (WC-TiC-Co) legering, en de sterkte neemt af met de toename van het TiC-gehalte. Hardmetaal is een bros materiaal en de slagvastheid bij kamertemperatuur is slechts 1/30 tot 1/8 van die van snelstaal.
(3) Toepassing van veelgebruikte hardmetalen gereedschappen
YG-type legeringen worden voornamelijk gebruikt voor de verwerking van gietijzer, non-ferrometalen en niet-metalen materialen. Fijnkorrelig hardmetaal (zoals YG3X, YG6X) heeft een hogere hardheid en slijtvastheid dan middelkorrelige hardmetaalsoorten wanneer het kobaltgehalte hetzelfde is. Het is geschikt voor de verwerking van sommige speciale harde gietijzeren, austenitisch roestvrij staal, hittebestendige legeringen, titaniumlegeringen, harde bronzen en slijtvaste isolatiematerialen.
De uitstekende voordelen van YT-type hardmetaal zijn hoge hardheid, goede hittebestendigheid, hogere hardheid en druksterkte bij hoge temperaturen dan YG-type, en goede oxidatiebestendigheid. Daarom moet, wanneer het gereedschap een hogere hittebestendigheid en slijtvastheid moet hebben, een klasse met een hoger TiC-gehalte worden geselecteerd. YT-legeringen zijn geschikt voor het verwerken van kunststofmaterialen zoals staal, maar niet voor het verwerken van titaniumlegeringen en silicium-aluminiumlegeringen.
YW-legeringen hebben de eigenschappen van zowel YG- als YT-legeringen en hebben goede uitgebreide eigenschappen. Ze kunnen worden gebruikt om staal, gietijzer en non-ferrometalen te verwerken. Als het kobaltgehalte van dit type legering op de juiste manier wordt verhoogd, kan de sterkte zeer hoog zijn en kan worden gebruikt voor ruwe verwerking en intermitterend snijden van verschillende moeilijk te verwerken materialen.
6. Typen, kenmerken en toepassingen van gereedschappen van snelstaal
High Speed Steel (HSS) is een hooggelegeerd gereedschapsstaal met een grote hoeveelheid legeringselementen zoals W, Mo, Cr en V. Gereedschappen van snelstaal hebben uitstekende algehele prestaties in termen van sterkte, taaiheid en verwerkbaarheid. Snelstaal neemt nog steeds een belangrijke positie in bij complexe gereedschappen, met name bij de vervaardiging van gatbewerkingsgereedschappen, frezen, draadsnijgereedschappen, brootsen, tandwielsnijgereedschappen en andere gereedschappen met complexe bladvormen. Gereedschappen van snelstaal zijn gemakkelijk te slijpen aan de snijkant.
Afhankelijk van de verschillende toepassingen kan snelstaal worden onderverdeeld in algemeen snelstaal en hoogwaardig snelstaal.
(1) Universele gereedschappen van snelstaal
Algemeen snelstaal. Over het algemeen kan het worden onderverdeeld in twee categorieën: wolfraamstaal en wolfraam-molybdeenstaal. Dit type snelstaal bevat 0.7% tot 0.9% wolfraam. Afhankelijk van het verschillende wolfraamgehalte in het staal, kan het worden onderverdeeld in wolfraamstaal met 12% of 18% W, wolfraam-molybdeenstaal met 6% of 8% W en molybdeenstaal met 2% of geen W. Algemeen snelstaal heeft een bepaalde hardheid (63-66HRC) en slijtvastheid, hoge sterkte en taaiheid, goede plasticiteit en verwerkingstechnologie, dus het wordt veel gebruikt bij de vervaardiging van verschillende complexe gereedschappen.
① Wolfraamstaal: De typische kwaliteit van algemeen gebruik snelstaal wolfraamstaal is W18Cr4V (afgekort als W18), dat een goede algehele prestatie heeft. De hoge temperatuurhardheid bij 6000 graden is 48,5HRC, wat kan worden gebruikt om verschillende complexe gereedschappen te vervaardigen. Het heeft de voordelen van goede slijpbaarheid en lage ontkolingsgevoeligheid, maar vanwege het hoge carbidegehalte, ongelijkmatige verdeling, grote deeltjes, lage sterkte en taaiheid.
② Wolfraam-molybdeenstaal: verwijst naar een snelstaal dat wordt verkregen door een deel van het wolfraam in wolfraamstaal te vervangen door molybdeen. De typische kwaliteit van wolfraam-molybdeenstaal is W6Mo5Cr4V2 (afgekort als M2). De carbidedeeltjes van M2 zijn fijn en uniform, en de sterkte, taaiheid en plasticiteit bij hoge temperaturen zijn beter dan W18Cr4V. Een ander wolfraam-molybdeenstaal is W9Mo3Cr4V (afgekort als W9), dat een iets hogere thermische stabiliteit heeft dan M2-staal, een betere buigsterkte en taaiheid dan W6M05Cr4V2, en een goede bewerkbaarheid heeft.
(2) Hoogwaardige gereedschappen van snelstaal
High-performance high-speed staal verwijst naar een nieuw type staal dat wat koolstofgehalte, vanadiumgehalte en legeringselementen zoals Co en Al toevoegt aan de algemene high-speed staalsamenstelling, waardoor de hittebestendigheid en slijtvastheid worden verbeterd. Er zijn voornamelijk de volgende categorieën:
① Hoog koolstofstaal. Hoog koolstofstaal (zoals 95W18Cr4V) heeft een hoge hardheid bij kamertemperatuur en hoge temperatuur. Het is geschikt voor het vervaardigen van gereedschappen voor het verwerken van gewoon staal en gietijzer, boren, ruimers, tappen en frezen met hoge slijtvastheidseisen, of het verwerken van hardere materialen. Het is niet geschikt voor grote impact.
② Hoog vanadium snelstaal. Typische kwaliteiten, zoals W12Cr4V4Mo (afgekort als EV4), bevatten 3%~5% V, hebben een goede slijtvastheid en zijn geschikt voor het snijden van materialen die extreem gevoelig zijn voor slijtage door gereedschappen, zoals vezels, hard rubber, plastic, enz. Het kan ook worden gebruikt om roestvrij staal, hoogwaardig staal en hogetemperatuurlegeringen te verwerken.
③ Kobalt-snelstaal. Het is een kobaltbevattend superhard snelstaal. Typische soorten, zoals W2Mo9Cr4VCo8 (afgekort als M42), hebben een hoge hardheid en de hardheid kan 69~70HRC bereiken. Het is geschikt voor het verwerken van moeilijk te verwerken materialen zoals hittebestendig staal met hoge sterkte, hogetemperatuurlegeringen, titaniumlegeringen, enz. M42 heeft een goede slijpbaarheid en is geschikt voor het maken van precisie- en complexe gereedschappen, maar het is niet geschikt voor het werken onder impactsnijdende omstandigheden.
④ Aluminium snelstaal. Het is een aluminiumhoudend superhard snelstaal. Typische kwaliteiten zijn W6Mo5Cr4V2Al (afgekort als 501). De hoge temperatuurhardheid bij 6000 graden bereikt ook 54HRC. De snijprestaties zijn gelijkwaardig aan M42. Het is geschikt voor het vervaardigen van frezen, boren, ruimers, tandwielfrezen, brootsen, enz. Het wordt gebruikt om gelegeerd staal, roestvrij staal, hoogwaardig staal en hogetemperatuurlegeringen te verwerken.
⑤ Stikstof superhard snelstaal. Typische kwaliteiten zijn W12M03Cr4V3N (afgekort als (V3N). Het is een stikstofhoudend superhard snelstaal. De hardheid, sterkte en taaiheid zijn gelijk aan M42. Het kan worden gebruikt als vervanging voor kobalthoudend snelstaal en wordt gebruikt voor het snijden op lage snelheid van moeilijk te verwerken materialen en voor het verwerken van hoge precisie op lage snelheid.
(3) Smelten van snelstaal en poedermetallurgisch snelstaal
Afhankelijk van de verschillende productieprocessen kan snelstaal worden onderverdeeld in smelt-snelstaal en poedermetallurgisch snelstaal.
① Smelten van snelstaal: Gewoon snelstaal en hoogwaardig snelstaal worden beide vervaardigd door smeltmethoden. Ze worden tot snijgereedschappen gemaakt door processen zoals smelten, gieten van ingots en plateren en walsen. Een ernstig probleem dat gemakkelijk optreedt bij het smelten van snelstaal is carbide-segregatie. Harde en brosse carbiden zijn ongelijkmatig verdeeld in snelstaal en de korrels zijn grof (tot tientallen microns), wat een nadelig effect heeft op de slijtvastheid, taaiheid en snijprestaties van snelstaalgereedschappen.
② Poedermetallurgie snelstaal (PM HSS): Poedermetallurgie snelstaal (PM HSS) is een vloeibare staalsoort die wordt gesmolten in een hoogfrequente inductieoven, die wordt verneveld met hogedruk-argon of zuivere stikstof en vervolgens snel wordt afgekoeld om een fijne en uniforme kristalstructuur (snelstaalpoeder) te verkrijgen. Het resulterende poeder wordt vervolgens onder hoge temperatuur en hoge druk tot een mesblank geperst, of eerst tot een stalen blank gemaakt en vervolgens gesmeed en gewalst tot een gereedschapsvorm. Vergeleken met snelstaal dat wordt vervaardigd met behulp van de smeltmethode, heeft PM HSS de voordelen van fijne en uniforme hardmetaalkorrels en een veel hogere sterkte, taaiheid en slijtvastheid dan gesmolten snelstaal. Op het gebied van complexe CNC-gereedschappen zullen PM HSS-gereedschappen zich verder ontwikkelen en een belangrijke positie innemen. Typische kwaliteiten, zoals F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN, enz., kunnen worden gebruikt voor de productie van grote, zwaarbelaste en slagvaste snijgereedschappen. Ze kunnen ook worden gebruikt voor de productie van precisiesnijgereedschappen.
Principes voor het selecteren van CNC-gereedschapsmaterialen
Momenteel omvatten de meest gebruikte CNC-gereedschapsmaterialen voornamelijk diamantgereedschappen, kubieke boornitridegereedschappen, keramische gereedschappen, gecoate gereedschappen, hardmetalen gereedschappen en snelstaalgereedschappen. Er zijn veel soorten gereedschapsmaterialen en hun prestaties variëren sterk. De belangrijkste prestatie-indicatoren van verschillende gereedschapsmaterialen worden weergegeven in de volgende tabel.
Gereedschapsmaterialen voor CNC-bewerking moeten worden geselecteerd op basis van het te bewerken werkstuk en de aard van de bewerking. De selectie van gereedschapsmaterialen moet redelijkerwijs worden afgestemd op het bewerkingsobject. De afstemming van snijgereedschapsmaterialen en bewerkingsobjecten verwijst voornamelijk naar de afstemming van de mechanische eigenschappen, fysieke eigenschappen en chemische eigenschappen van de twee om de langste gereedschapslevensduur en de maximale snijproductiviteit te verkrijgen.
1. Afstemming van mechanische eigenschappen van snijgereedschapmaterialen en bewerkingsobjecten
Het probleem van het matchen van mechanische eigenschappen van snijgereedschappen en bewerkingsobjecten verwijst voornamelijk naar het matchen van mechanische eigenschappenparameters zoals sterkte, taaiheid en hardheid van gereedschaps- en werkstukmaterialen. Gereedschapsmaterialen met verschillende mechanische eigenschappen zijn geschikt voor het bewerken van verschillende werkstukmaterialen.
① The order of tool material hardness is: diamond tool> cubic boron nitride tool> ceramic tool> cemented carbide>snelstaal.
② The order of bending strength of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide> ceramic tool>diamant- en kubisch boornitridegereedschap.
③ The order of toughness of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide>kubisch boornitride, diamant en keramisch gereedschap.
Werkstukmaterialen met een hoge hardheid moeten worden bewerkt met gereedschappen met een hogere hardheid. De hardheid van het gereedschapsmateriaal moet hoger zijn dan die van het werkstukmateriaal, over het algemeen vereist boven 60HRC. Hoe hoger de hardheid van het gereedschapsmateriaal, hoe beter de slijtvastheid. Bijvoorbeeld, wanneer het kobaltgehalte in hardmetaal toeneemt, nemen de sterkte en taaiheid toe en neemt de hardheid af, wat geschikt is voor ruwe bewerking; wanneer het kobaltgehalte afneemt, nemen de hardheid en slijtvastheid toe, wat geschikt is voor fijne bewerking.
Gereedschappen met uitstekende mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen zijn met name geschikt voor snijden met hoge snelheid. De uitstekende prestaties bij hoge temperaturen van keramische gereedschappen stellen hen in staat om met hoge snelheden te snijden, en de toegestane snijsnelheid kan met 2 tot 10 keer worden verhoogd in vergelijking met hardmetaal.
2. Het afstemmen van de fysieke eigenschappen van snijgereedschapsmaterialen op de te bewerken objecten
Gereedschappen met verschillende fysieke eigenschappen, zoals gereedschappen van snelstaal met een hoge thermische geleidbaarheid en een laag smeltpunt, keramische gereedschappen met een hoog smeltpunt en een lage thermische uitzetting, diamantgereedschappen met een hoge thermische geleidbaarheid en een lage thermische uitzetting, enz., zijn geschikt voor het bewerken van verschillende werkstukmaterialen. Bij het bewerken van werkstukken met een slechte thermische geleidbaarheid moeten gereedschapsmaterialen met een betere thermische geleidbaarheid worden gebruikt om de snijwarmte snel te laten overgaan en de snijtemperatuur te verlagen. Diamant heeft een hoge thermische geleidbaarheid en thermische diffusie, dus snijwarmte kan gemakkelijk worden afgevoerd zonder grote thermische vervorming te veroorzaken, wat met name belangrijk is voor precisiebewerkingsgereedschappen met hoge eisen aan de maatnauwkeurigheid.
① Hittebestendigheidstemperatuur van verschillende gereedschapsmaterialen: 700-8000 graden voor diamantgereedschappen, 13000-15000 graden voor PCBN-gereedschappen, 1100-12000 graden voor keramische gereedschappen, 900-11000 graden voor TiC(N)-gebaseerd hardmetaal, 800-9000 graden voor WC-gebaseerd ultrafijnkorrelig hardmetaal en 600-7000 graden voor HSS.
② The order of thermal conductivity of various tool materials: PCD>PCBN>WC-based cemented carbide>TiC(N)-based cemented carbide>HSS>Si3N4-based ceramics>Keramiek op basis van Al2O3-.
③The thermal expansion coefficients of various tool materials are in the following order: HSS>WC-based carbide>TiC(N)>Al2O3-based ceramics>PCBN>Si3N4-based ceramics>PCD-afwijking.
④The thermal shock resistance of various tool materials is in the following order: HSS>WC-based carbide>Si3N4-based ceramics>PCBN>PCD>TiC(N)-based carbide>Keramiek op basis van Al2O3-.
3. Chemische prestatieafstemming van snijgereedschapmaterialen en bewerkingsobjecten
Het chemische prestatie-matchingprobleem van snijgereedschapsmaterialen en verwerkingsobjecten verwijst voornamelijk naar de chemische prestatieparameters zoals chemische affiniteit, chemische reactie, diffusie en oplossing van gereedschapsmaterialen en werkstukmaterialen. Gereedschappen van verschillende materialen zijn geschikt voor het verwerken van verschillende werkstukmaterialen.
①The anti-adhesion temperature of various tool materials (with steel) is: PCBN>ceramics>carbide>HSS-systeem.
②The anti-oxidation temperature of various tool materials is: ceramics>PCBN>carbide>diamond>HSS-systeem.
③ The diffusion strength of various tool materials (for steel) is: diamond>Si3N4-based ceramics>PCBN>Al2O3-based ceramics. The diffusion strength (for titanium) is: Al2O3-based ceramics>PCBN>SiC>Si3N4>diamant.
4. Redelijke selectie van CNC-gereedschapsmaterialen
Over het algemeen zijn PCBN, keramische gereedschappen, gecoate carbide en TiCN-gebaseerde carbide gereedschappen geschikt voor CNC-bewerking van ferrometalen zoals staal; terwijl PCD-gereedschappen geschikt zijn voor het bewerken van non-ferrometalen zoals Al, Mg, Cu en hun legeringen en niet-metalen materialen. De volgende tabel toont enkele werkstukmaterialen die geschikt zijn voor bewerking met verschillende gereedschapsmaterialen.