Фактори при избора на сменяеми твърдосплавни пластини

• Типът на механичната обработка – дали е груба, финишна, нарязване на резба или канали, трябва да ръководи избора на твърдосплавни пластини
  
  
• Геометрията на твърдосплавните пластини влияе директно на експлоатационните показатели и продължителността на сервизния живот на инструмента
  
  
• Изборът на твърдосплавни пластини е много по-лесен днес, въпреки че броят на вариантите на режещи инструменти нараства експоненциално

Изборът на правилните твърдосплавни пластини е от съществено значение за максималното увеличаване на ефективността, прецизността и рентабилността на процесите по механична обработка. Твърдосплавните пластини, често предпочитани заради тяхната издръжливост и способност да се справят с високи скорости, са широко използвани в индустриални сектори като авиокосмическата индустрия, автомобилостроенето и общото производство. Изборът на най-подходящата пластина обаче изисква разбирането на различни фактори, оказващи влияние върху експлоатационните показатели и сервизния живот на инструмента. Настоящата статия ще предостави насоки, които да подпомогнат вземането на информирани решения при определяне на най-добрите твърдосплавни пластини за конкретното приложение.

Защо сменяеми твърдосплавни пластини

Когато става дума за избор на режещ инструмент, са налице три основни опции – инструменти с припоена твърдосплавна режеща пластина, инструменти със сменяеми твърдосплавни пластини и монолитни инструменти, изработени от твърдосплавен материал или бързорезна стомана (HSS).

Откакто съществува волфрамов карбид (което е грубо повече от 9 десетилетия), малки парчета от него се припояват към стоманени опашки, след което им се шлифова режещ ръб. Тези инструменти с припоени твърдосплавни пластини са лесни за изработка, могат да бъдат адаптирани за съответното приложение и са с достъпна цена. За съжаление, ефективността им зависи от качеството на припояване и шлифоване. Освен това, тъй като инструментът трябва да бъде отстранен от фрезата или струга, за да бъде заострен, резултатът е продължителен и скъпоструващ престой на машината.

Историята с бързорезната стомана е аналогична. Инструментите с такива пластини са много по-евтини, отколкото тези с твърдосплавни, и няма нужда от припояване – необходимо е единствено заостряне. Рязането обаче няма да е много продължително или много бързо, защото бързорезната стомана дава възможност за скорост на рязане, която е едва една четвърт от тази, характерна за твърдосплавните материали, и дори още по-ниска в сравнение с някои по-нови класове с покритие.

Бързорезната стомана може да е подходяща за любители, но твърдосплавните инструменти са предпочитани от професионалистите. Това важи и за въртящите се инструменти от бързорезна стомана, като палцови цилиндрични фрези, свредла и райбери. Да, тези инструменти са по-евтини от твърдосплавните им алтернативи, но са и много по-малко износоустойчиви, предсказуеми и производителни. Тези фактори обясняват защо водещите производители на инструменти подчертават значимостта на твърдосплавните инструменти и защо много от тях вече изобщо не предлагат режещи инструменти от бързорезна стомана.

Това ни води до сменяемите твърдосплавни пластини – работните коне на металообработващата индустрия. Както старомодните припоени инструменти, и тук се използва малко количество твърдосплавен материал. Разликата е в начина на закрепване. Вместо на постоянно припояване се разчита на винтово закрепване или затягане на твърдосплавните пластини към тялото на инструмента. Когато ръбът се износи, подмяната на пластината отнема няколко секунди. И което е по-важно – не е нужно да се сменя позицията на инструмента.

Значимостта на материала

Материалът, който се обработва, играе централна роля при избора на твърдосплавни пластини. Различните материали изискват специфичен клас твърдосплавен материал и покрития, за да се оптимизират експлоатационните параметри.

За механичната обработка на стомана обикновено се изискват твърдосплавни пластини с балансирана комбинация от якост и твърдост. За избягване на износване и загряване често се използват пластини с покритие от титанов алуминиев нитрид (TiAlN).

Леярският чугун е абразивен и ронлив, поради което за обработката му са необходими пластини с висока износоустойчивост и якост. Подходящи в случая са пластини с покритие, нанесено чрез химично парофазно отлагане (CVD).

Алуминият е мек и може да залепне за инструментите, поради което за механичната му обработка се предпочитат пластини с остри ръбове и полирани повърхнини. Твърдосплавните пластини без покритие или тези с покритие от диамантеноподобен нехидрогениран въглерод (DLC) могат да предотвратят отлагането на материал и да подобрят качеството на финиша.

Топлоустойчивите “екзотични” сплави налагат използването на твърдосплавни пластини, които предлагат изключително висока износоустойчивост и висока температурна стабилност. Ключово значение за обработката на тези сплави имат класовете твърдосплавни материали, предназначени за високотемпературни приложения, често с керамично покритие или покритие от кубичен борен нитрид (CBN).

Избор на клас

Твърдосплавните пластини се категоризират по клас, който отразява техния състав и предназначение. Класовете твърдосплавни материали имат три основни компонента – съдържание на кобалт, гранулометрия и покритие.

По-високото съдържание на кобалт повишава якостта на пластината, докато по-ниското съдържание на кобалт увеличава твърдостта и устойчивостта. Класовете с висока якост са идеални за прекъснати срезове, докато класовете с по-голяма твърдост са отлично решение за непрекъснато рязане.

Твърдосплавните пластини с по-фина зърнеста структура предлагат по-добра износоустойчивост, което ги прави подходящи за операции по финишна обработка. Пластините с по-едра зърнеста структура са по-издръжливи и могат да се справят с грубо обработване чрез рязане и тежки операции.

Покритията удължават експлоатационния живот на инструмента и подобряват работните му параметри. Сред най-разпространените покрития са: титанов нитрид (TiN) – увеличава повърхнинната якост и намалява триенето; титанов карбонитрид (TiCN) – по-висока износоустойчивост от TiN, идеално за средно тежки операции; TiAlN – отлична топлоустойчивост, подходящо за високоскоростна механична обработка и твърди материали; CVD или PVD покрития – предоставят висока износоустойчивост и обикновено се използват за различни процеси на механична обработка.

Геометрия на пластините

Геометрията на твърдосплавните пластини влияе директно на експлоатационните показатели, продължителността на сервизния живот на инструмента и вида на операцията по механична обработка. Геометрията на пластината обхваща формата, ъгъла на режещия ръб и дизайна на стружкочупача.

Разпространени форми на пластините са кръгли, квадратни, триъгълни и ромбични. Формата оказва въздействие върху броя на наличните режещи ръбове и върху здравината на пластината. Кръглите пластини например са идеални за груба обработка с високо подаване, но им липсва остротата, необходима за по-фина финишна обработка. Квадратните пластини предоставят повече на брой режещи ръбове и са по-здрави благодарение на големия вътрешен ъгъл. Ромбичните пластини са идеални за операции по финишна обработка заради острите им режещи ръбове.

Ъгълът на режещия ръб оказва влияние върху силите, генерирани по време на рязане. Положителните предни ъгли редуцират силите на рязане и подобряват финиша на повърхнините, докато отрицателните предни ъгли предлагат по-голяма здравина и по-добра ефективност при обработка на материали с по-голяма якост.
Стужкочупачите контролират потока от стружки и предотвратяват натрупването им. В зависимост от материала и параметрите на рязане се използват различни стружкочупещи дизайни за процеси на груба обработка, финишна обработка или средно тежка механична обработка.

Съгласуване с приложението

Типът на механичната обработка – дали е груба, финишна, нарязване на резба или канали, трябва да ръководи избора на твърдосплавни пластини. Всяка операция поставя различни изисквания за конструкционния материал, геометрията и покритието на пластините.

При грубата механична обработка фокусът е върху бързото отнемане на големи количества материал. Пластините, предназначени за операции по груба обработка, имат здрави, издръжливи режещи ръбове, които могат да поемат тежки натоварвания. Идеални за тези процеси са твърдосплавните пластини с покритие и висока износоустойчивост.

Приоритет при финишната механична обработка са прецизността и качеството на повърхнините. Пластините с остри ръбове и фина зърнеста структура предоставят по-добър финиш на повърхнините и по-малки толеранси. Често тук се предпочитат твърдосплавните пластини без покритие или с покритие с малка дебелина с цел редуциране на триенето.
За операциите по нарязване на резби и канали се изискват твърдосплавни пластини със специфични геометрии. Пластините за нарязване на резби трябва да отговарят на стъпката и профила на резбата, докато пластините за прорязване на канали трябва да предлагат определени характеристики за контрол на стружките, с оглед създаването на срезове с малка ширина.

Оптимизиране на параметрите на рязане

Скоростта на рязане, подаването и дълбочината на среза пряко влияят върху експлоатационните параметри на твърдосплавната пластина. Селекцията на подходящата пластина включва избора на инструмент, който може да се справи с необходимите параметри на рязане, без това да доведе до прекомерно износване или счупване.

По-високите скорости на рязане генерират повече топлина, което може да е причина за по-бързо износване на твърдосплавната пластина. Затова трябва да се гарантира, че класът и покритието на пластината могат да понесат топлината, генерирана при по-високи скорости на рязане.
По-високото подаване може да увеличи скоростта на отнемане но материал, но може да повиши и натоварването върху режещия ръб на пластината. Пластините, предназначени за операции с високи подавания, често имат подсилени ръбове.

Дълбочината на среза определя колко материал се отнема с един ход. Класовете твърдосплавни материали с по-висока якост имат издръжливи геометрии и са необходими за по-дълбоки срезове, докато по-острите, по-деликатни пластини са по-подходящи за по-леки срезове и фина финишна механична обработка.

Съвместимост с държача

За постигане на оптимални експлоатационни параметри държачът и пластината трябва да бъдат съвместими. Твърдосплавните пластини се предлагат в разнообразни форми и размери, всяка от които е предвидено да пасне на определен държач. Необходимо е да се провери дали държачът може да се използва с избраната пластина и дали осигурява надеждно захващане, което да предотврати вибрации и подвижност на инструмента.

Модулните държачи предлагат по-високо ниво на гъвкавост, давайки възможност за бърза смяна на пластината, без да се компрометира прецизността. Те също редуцират престоите, което ги превръща в рентабилен избор за редица операции по механична обработка.

Номенклатура

Не на последно място, е темата за номенклатурата при пластините. Това е обширна област, изпълнена с изключения и правила, отнасящи се до специфични режещи инструменти. Все пак, повечето производители следват ANSI или ISO системите за идентификация на инструменти, а понякога и двете. Без да се навлиза в подробности, тези системи използват буквено-цифров код, специфициращ формата на пластината (кръгла, квадратна, триъгълна и др.), предния ъгъл, метода на закрепване, размера и дебелината на пластината, радиусите на ъглите и различни други определящи характеристики.

Като оставим сложните системи за наименуване настрана, изборът на правилната пластина за конкретно приложение по механична обработка не е толкова труден, колкото изглежда. Това е така, защото производителите на режещи инструменти разработват онлайн съветници, които съпровождат клиентите в процеса на избор на инструмент. Те могат например да задават на потребителите въпроси за вида на процеса на отнемане на метал (фрезоване, струговане, пробиване на отвори и др.), за това каква металообработваща машина ще се използва, за материала, от който са изработени детайлите, количеството материал, което трябва да се отнеме, и очакваните дълбочини на среза. След това платформата генерира стратегия за механична обработка и дава предложения за пластини и държачи, информация за поръчка, за наличност на продукта, препоръки за подаване и скорост и др.

В заключение, изборът на твърдосплавни пластини е много по-лесен днес, въпреки че броят на вариантите на режещи инструменти е нараснал експоненциално от времето на инструментите с припоени твърдосплавни пластини или пластини от бързорезна стомана.