С наступлением 21 века, с тенденцией глобализации производственных технологий, конкуренция в обрабатывающей промышленности становится все более жесткой. В системе процесса резки, состоящей из станков, режущих инструментов, приспособлений и заготовок, режущий инструмент является активным фактором. Поэтому, с широким применением высокоскоростной технологии обработки в производстве сегодня, высокопроизводительные режущие инструменты все больше ценятся и заменяют традиционные режущие инструменты в больших количествах. Хотя высокопроизводительные режущие инструменты дороже традиционных инструментов, даже в 10 раз дороже, использование высокопроизводительных режущих инструментов все еще может эффективно снизить производственные затраты.
Материал, геометрические параметры и структура режущих инструментов являются важными ключевыми технологиями для проектирования и производства высокопроизводительных режущих инструментов, как показано на рисунке 1. В настоящее время передовые режущие инструменты быстро развиваются, и различные специализированные высокопроизводительные режущие инструменты постоянно совершенствуются. Что касается инструментальных материалов, широко используются инструменты из сверхмелкозернистого твердого сплава и инструменты из сверхтвердых материалов; Что касается покрытий, многослойные градиентные композитные покрытия и высокопрочные жаропрочные нанопокрытия также достигли значительного прогресса и применяются в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и судостроение; Что касается структуры инструмента, она будет развиваться в направлении индексируемых, многофункциональных, специализированных композитных инструментов и модульных направлений, как показано на рисунке 2.
Новый прогресс в инструментальных материалах
В последние годы промышленно развитые страны по всему миру стремятся разрабатывать передовые материалы для режущих инструментов, которые соответствуют высокоскоростным, эффективным и высококачественным процессам резки. Материалы инструментов оказывают значительное влияние на срок службы инструмента, эффективность обработки, качество обработки и затраты на обработку. При резке режущими инструментами они должны выдерживать высокое давление, высокую температуру, трение, удары и вибрацию. Поэтому материал инструмента должен обладать следующими основными свойствами: высокая твердость, то есть твердость материала инструмента должна быть выше, чем у обрабатываемого материала; Высокая прочность и вязкость требуют, чтобы материал режущей части инструмента подвергался значительным режущим и ударным силам во время резки, поэтому материал инструмента должен обладать достаточной прочностью и вязкостью; Хорошая износостойкость и термостойкость. Вообще говоря, чем выше твердость материала инструмента, тем лучше износостойкость. В то же время износостойкость и термостойкость инструмента тесно связаны; Хорошая теплопроводность, чем лучше теплопроводность, тем ниже температура режущей части, тем самым снижая износ инструмента; Хорошее мастерство и экономичность.
(1) Новая быстрорежущая сталь.
Быстрорежущая сталь (HSS) — это высоколегированная инструментальная сталь, содержащая такие легирующие элементы, как W, Mo, Cr и V. Хотя в настоящее время существует множество типов материалов для режущих инструментов, доступных для использования, быстрорежущая сталь имеет преимущества в прочности, вязкости, термической закалке, обрабатываемости и, особенно, остроте (радиус режущей кромки инструмента может достигать 12-15) мкм). Она обладает превосходными комплексными характеристиками при резке некоторых труднообрабатываемых материалов и по-прежнему занимает значительную долю в производстве сложных инструментов, особенно зуборезных инструментов, протяжек и концевых фрез.
(2) Новый тип мелкозернистых и сверхмелкозернистых твердых сплавов.
Твердый сплав — это порошок микронного размера из высокотвердых и тугоплавких металлических соединений (в основном WC, TiC и т. д., также известных как высокотемпературные карбиды), который спекается в продукты порошковой металлургии с использованием таких металлов, как кобальт или никель, в качестве связующих. Твердый сплав — широко используемый материал для режущих инструментов в современной области резки, с эффективностью резки примерно в 5-10 раз выше, чем у быстрорежущей стали. Производство твердых сплавов во всем мире быстро растет, и постоянно появляются новые материалы и марки твердосплавных режущих инструментов, составляя все большую долю всех режущих инструментов. Но его мастерство изготовления оставляет желать лучшего, и его использование для сложных режущих инструментов по-прежнему сильно ограничено.
Мелкие зерна (1~0.5 мкм) и сверхмелкие зерна (менее 0.5 мкм) Разработка твердосплавных материалов и цельных твердосплавных режущих инструментов значительно улучшила прочность на изгиб твердых сплавов, которые могут заменить быстрорежущую сталь при производстве крупногабаритных инструментов общего назначения, таких как небольшие сверла, концевые фрезы и метчики. Его скорость резания и срок службы инструмента намного превышают таковые у быстрорежущей стали. Использование цельных твердосплавных режущих инструментов может значительно повысить эффективность резания в большинстве областей применения, где изначально использовалась быстрорежущая сталь. Для повышения вязкости твердых сплавов обычно применяется метод увеличения содержания Co. Полученное снижение твердости теперь можно компенсировать за счет измельчения размера зерна, а прочность на изгиб твердых сплавов можно увеличить до 4,3 ГПа, что достигло и превысило прочность на изгиб обычной быстрорежущей стали. Еще одним преимуществом мелкозернистых твердых сплавов является то, что режущая кромка инструмента остается острой, что особенно подходит для высокоскоростной резки липких и твердых материалов.
(3) Сверхтвердые режущие инструменты.
Так называемые сверхтвердые инструментальные материалы относятся к искусственному алмазу и кубическому нитриду бора, а также поликристаллическому алмазу и поликристаллическому кубическому нитриду бора, спеченным с этими порошками и связующими. Благодаря своей превосходной износостойкости и способности адаптироваться к более высоким скоростям резания, сверхтвердые режущие инструменты стали основным инструментальным материалом для высокоскоростной резки, и что еще важнее, они могут удовлетворить потребности в резке труднообрабатываемых материалов. Поэтому сверхтвердые инструментальные материалы играют все более важную роль во всей области процесса резки.