Актуални тенденции при инструментите

Общоизвестен факт е, че тенденциите в производствената промишленост оказват влияние върху развитието на металорежещите инструменти. Промените в материалите на детайлите, производствените процеси и дори законодателството катализират паралелния напредък в технологиите за инструменти за рязане на метали.

Тъй като производителите непрекъснато търсят и прилагат нови производствени материали, които са по-леки и по-здрави, а следователно и по-икономични, компаниите за режещи инструменти трябва да разработят такива решения, които да могат да обработват новите материали с възможно най-високо ниво на производителност.

Чрез фино регулиране на комбинации от състави на инструменталните материали, покрития и геометрии, производителите на инструменти позволяват на потребителите да изработват повече детайли, по-бързо и с по-ниски производствени разходи. Процесът на развитие е непрекъснат и интерактивен.

Преглед на пазара

Сред ключовите движещи фактори на пазара за металорежещи инструменти е експоненциалният растеж в автомобилната индустрия. Освен това се очаква глобалният пазар на металорежещи инструменти да се разшири благодарение на растежа, подпомогнат от възстановяването на ключовите крайни пазари в развитите страни. В допълнение, нарастващото производство на олекотени автомобили ще създаде потенциално търсене на нови заварени автомобилни компоненти, в резултат на което през периода 2018-2026 г. ще нарасне търсенето на металорежещи инструменти, показват пазарни проучвания. Тези инструменти ще продължават да отговарят за по-големия дял от пазара.

Един от основните фактори, които възпрепятстват пазарния растеж, са колебанията в цените на суровините. Сред важните тенденции, които ще привлекат вниманието на пазара за металорежещи инструменти обаче, е нарастването в търсенето на решения за адитивно производство. 3D принтирането в аерокосмическата и автомобилната промишленост позволява производството на сложни геометрии, които са невъзможни с традиционните технологии, и значително ще помогне за намаляване на капиталовите разходи и разходите за суровини през периода 2018-2026 г.

Глобалният пазар на металорежещи инструменти е сегментиран въз основа на типа продукт и приложение. На база вида на продукта пазарът се разделя на инструменти за фрезоване, пробиване, струговане, ротационни инструменти и др. Въз основа на приложението пазарът се сегментира на автомобилна, аерокосмическа и отбранителна промишленост, строителство, морска индустрия и електроника. Очаква се фрезовите инструменти да задържат основния пазарен дял, тъй като се използват в голямо разнообразие от приложения в автомобилната и аерокосмическата индустрия.

Режещи инструменти с карбидно покритие

Добър пример за развитие на инструменталната екипировка е нарастващият избор на инструменти за обработка на алуминий. В търсене на по-добра горивна ефективност, използването на алуминий в производството на превозни средства непрекъснато се увеличава. Докато през 1980 г. алуминият съставлява приблизително 3% от един типичен автомобил среден клас, този дял се увеличава до около 5% до 1990 г. Прогнозите за автомобилите от бъдещето показват, че използването на алуминий ще нарасне между 10 и 20% от общото тегло на автомобила, с двигателни блокове, цилиндрови глави и корпуси, които допринасят значително за редуциране на консумацията на гориво.

Въпреки че поликристалните диамантени инструменти (PCD) и карбидните без покритие доминират при струговане, фрезоване и пробиване на алуминиево-силициеви сплави, увеличаването на употребата на алуминий ускорява разработването на карбидни режещи инструменти с тънкослойно диамантено покритие. Инструментите с диамантено покритие предлагат износоустойчивост, сравнима с поликристалните диамантени материали, като същевременно осигуряват множество режещи повърхнини на пластините и възможност за поддържане на сложни геометрии за отвеждане на стружките.

Двойното предимство на високата износоустойчивост и геометричната гъвкавост правят инструментите с диамантено покритие отлични кандидати за замяна на карбидните без покритие, както и скъпите PCD режещи инструменти. Диамантеното покритие е приложимо и за по-трудни геометрични форми на инструмента, включително свредла и опашкови фрези. А при хипоевтектичния алуминий, както и за магнезиевите сплави, покритията от титанов диборид (TiB2), приложени чрез процес на физично парно отлагане (PVD), предлагат предимства за производителността.

Нови чугуни

Сивият чугун, още една от опорите на автомобилното производство, често се заменя с по-здрави, по-издръжливи сферографитни чугуни в компоненти като корпуси, колянови и разпределителни валове. Въпреки това якостта и издръжливостта, които правят тези материали желани, също така затрудняват обработката им. Инструментите за обработване на тези чугуни трябва да издържат на абразивно износване и на прекъсвания в рязането, както и да могат да работят с високи скорости и подаване.

Обикновено сферографитните чугуни се обработват с карбидни пластини с покрития, нанесени чрез химично парно отлагане (CVD). CVD покритията се предлагат на пазара в продължение на много години и фактът, че повече от половината от продаваните инструменти са с CVD покритие, свидетелства за ефективността им. Въпреки това, високите температури (около 1000°С), характерни за CVD процеса, водят до създаването на крехкост, наречена “ета фаза” на граничната повърхност покритие/субстрат.

В зависимост от степента й крехкостта може да повлияе на работата при операции, включващи прекъсвания на рязането и неравномерност на микроструктурата на детайла, наблюдавана при някои сферографитни чугуни. Наскоро разработените среднотемпературни CVD (MTCVD) покрития показват намалена склонност към образуване на ета фаза. Инструментите с MTCVD покритие предлагат повишена устойчивост на термичен шок и отчупване на ръбовете в сравнение с конвенционалните инструменти със CVD покритие. Резултатът е по-дълъг живот на инструмента, както и повишена якост в сравнение с високотемпературните CVD покрития.

Режещи ръбове

Покритията с физично парно отлагане (PVD) също предлагат предимства пред CVD покритията при някои операции и/или материали за обработване. Процесът за нанасяне на PVD покритието протича при относително ниски температури на отлагане (приблизително 500°С) и позволява покриване на острите ръбове на инструментите.

Краищата на инструментите със CVD покритие обикновено се заглаждат предварително, за да се сведе до минимум ефектът на ета фазата. Острите, здрави ръбове на инструмента са от съществено значение при операции като фрезоване, пробиване, нарязване на резба и отрязване, както и за ефективно рязане на материали, отделящи дълги стружки, например нисковъглеродни стомани.

Всъщност, широк спектър от “проблемни” материали – титан, сплави на основата на никел и цветни метали, могат да бъдат обработени ефективно с инструменти с PVD покритие. От гледна точка на структурата на детайла острите ръбове намаляват силата на рязане, така че инструментите с PVD покритие могат да предложат истинско предимство при обработката на тънкостенни компоненти.

Първите PVD покрития са от титанов нитрид (TiN), но по-наскоро разработените PVD технологии включват титанов карбонитрид (TiCN) и титанов алуминиев нитрид (TiAlN), които предлагат по-висока твърдост, повишена издръжливост и подобрена износоустойчивост. Инструментите с покритие от TiAlN, благодарение на тяхната по-висока химическа стабилност, предлагат повишена устойчивост на химическо износване и по този начин увеличени възможности за работа при по-високи скорости.

Последните разработки в PVD покритията включват “меки” покрития като молибденов дисулфид (MoS2) за приложения със сухо пробиване. Комбинираните меки/твърди покрития като MoS2 върху PVD TiN или TiAlN също показват голям потенциал, тъй като твърдото (TiN или TiAlN) покритие осигурява износоустойчивост, докато по-мекият, по-смазващият външен слой подпомага отделянето на потока от стружки.

Суха механична обработка

Законодателните разпоредби също могат да повлияят на развитието на инструментите за рязане. В някои страни все по-строгите екологични норми, които регламентират обезвреждането на течностите за рязане, водят до увеличено прилагане на суха механична обработка. Независимо че сухата обработка не е подходяща за всеки процес и всеки материал, в някои случаи внимателният подбор на материала за режещ инструмент може да позволи на потребителя да сведе до минимум или да избегне напълно използването на охлаждаща течност.

Режещ инструмент с дебело покритие от алуминиев оксид може да даде възможност за повишаване на скоростта на подаване при обработката на стомана, намаляване на времето за контакт с детайла и свеждане до минимум на експозицията на инструмента на високи температури на рязане. В допълнение, съвременните покрития като PVD TiAlN могат да осигурят добра производителност при суха обработка или в системи с минимално охлаждане. Както беше споменато по-рано, смазващите PVD MoS2 покрития също могат да улеснят сухото пробиване и резбонарязване. Според експертите фокусирането върху сухата механична обработка ще предизвика допълнителни усилия за разработване на режещи инструменти с висока устойчивост на топлинно натоварване.

Металокерамични режещи инструменти

Инструментите за рязане, изработени от металокерамика (също ефективни в приложенията за суха механична обработка) са един аспект от отговора на индустрията на тенденцията за “производство до почти окончателна форма” (near net shape manufacturing). Целта на тази концепция е да се намалят производствените разходи чрез изработване на компонентите в близост до тяхната окончателна (финална) форма, като по този начин се редуцира броят на обработващите операции, необходими за завършване на дадения детайл.

Нужни са по-малко тежки операции по груба обработка и едновременно с това нараства необходимостта от инструменти, проектирани за довършителни работи и финишна обработка. Разработването на металокерамични инструменти е един от начините, по който производителите на инструменти се справят с тази нужда. Металокерамичните инструменти, изградени предимно от титанов карбонитрид (TiCN) с никел-кобалтово свързващо вещество, са твърди и химически стабилни, което осигурява висока износоустойчивост. Те работят най-добре с материали, които отделят пластични стружки, като стомани и сферографитни чугуни. Тяхната издръжливост на увеличени скорости за рязане позволява обработката на въглеродни, неръждаеми стомани и сферографитен чугун, като се осигуряват отлични финишни повърхности.

Наскоро разработените металокерамики съчетават отлична устойчивост на деформация и химично износване със степен на издръжливост, която им позволява да се използват и при полуфинишни, и при довършителни операции. PVD покритията допълнително подобряват характеристиките на металокерамичните инструменти при голямо разнообразие от материали за обработка.

Обработка на закалени детайли

Както екологичните и законодателни фактори (обезвреждането на охлаждащата течност и стружките), така и икономическите съображения ускоряват замяната на шлифоването с обработката на закалени детайли. Индустрията за режещи инструменти непрекъснато разработва и оценява решения, проектирани да осигурят максимална производителност при операции със закалени детайли. Тези инструменти са изградени от свръхтвърди материали като поликристални кубични бор-нитриди, както и керамика. Покритията, които намаляват топлината от триене и осигуряват по-дълъг живот на инструмента, са сред новите концепции, които се използват в решения за струговане на закалени детайли.

При полеви тестове супертвърдите инструменти с покритие са по-издръжливи от други поликристални кубични бор-нитридни (PCBN) инструменти с 20 до 100%. Покритията са доказали своята ефективност и върху керамични инструменти, проектирани за тежко струговане. В случаите, когато закаленият детайл няма грапавини или други нееднородности, керамичните инструменти с покритие предлагат повече режещи ръбове на по-ниска цена и могат да бъдат рентабилна алтернатива на PCBN инструментите при тежко струговане.

Високотехнологична керамика за проблемни материали

Усилията за развитие в технологията на керамичните инструменти позволяват навлизането на тези високотехнологични решения в нови области на приложение. Докато наскоро разработените инструменти от силициев нитрид предлагат подобрена устойчивост на счупване в сравнение с техните предшественици, относително ниската им издръжливост на химично износване ограничава използването им при машинната обработка на сферографитни чугуни. Устойчивите на износване CVD покрития от алуминиев оксид обаче разширяват обхвата на приложение на инструментите от силициев нитрид и позволяват обработката и на тези чугуни.

Що се отнася до алуминиевата керамика (базирана на AL203), добавянето на нишки от силициев карбид осигурява повишена производителност при обработката на Inconel и подобни високоякостни, високотемпературни сплави в аерокосмическата индустрия. Единичните кристални нишки отклоняват пукнатините в матрицата на алуминиевия оксид и по този начин подобряват издръжливостта на разрушаване на инструмента.

Прогрес в геометрията

Стремежът за повишаване на производителността и надеждността е обединяващ фактор за всички производствени процеси. Тъй като операциите по металообработка стават все по-прецизни, връзката на микро (подготовката на режещия ръб) и макро (геометрията на режещата повърхност) нива в инструмента за рязане става все по-важна. Контролът на стружкоотделянето, животът на инструмента, завършеността на обработвания детайл и точността могат да бъдат значително подобрени чрез прилагане на правилната комбинация от микро- и макрогеометрия в съчетание с подходящата основа и покритие.

Контролът на стружкоотделянето, разсейването или отклоняването на топлината чрез топографиите с ограничен контакт и намалените сили на рязане в резултат на положителните геометрични повърхности водят до подобрена производителност на съвременните модели на формовани режещи сменяеми пластини. Напредъкът в технологията за производство на инструменти прави възможно по-прецизното съчетаване на макрогеометрията към конкретни приложения по обработка.

В заключение, истински пробиви в технологията за рязане се срещат, но са рядкост. Най-голям дял от развитието на режещите инструменти е свързан с разработване, усъвършенстване и новаторски комбинации от съществуващи материали за инструменти. За това направление са необходими анализ на характеристиките на материалите, които се обработват, изискванията на специфични операции и непрекъсната комуникация между производителя на инструмента и крайния му потребител.