Новости при инструментите за металообработващи машини

Tенденциите в промишлеността са основен двигател в развитието на технологиите при металорежещите вложки. Новостите при материалите, от които се изработват инструментите, при производствените процеси и дори при правителствените наредби катализират паралелен напредък и по отношение на разработките в сферата на металообработващите инструменти.

Индустриалните предприятия непрекъснато търсят и използват нови суровини, които са по-леки и по-здрави, а следователно и по-ефикасни от гледна точка на разходите. В отговор на това производителите на металорежещи инструменти са изправени пред предизвикателството да разработят такива, които да обработват новите материали при възможно най-високи нива на производителност.

Чрез фин подбор на комбинации от съставни материали, покрития и геометрия, най-съвременните технологии при инструментите за металорежещи машини позволяват на потребителите да произведат повече детайли по-бързо и при намалени производствени разходи.

Развитие на пазара на металорежещи инструменти
Металорежещите инструменти се използват широко в почти всички производствени отрасли. Основни потребители на продуктите от този сегмент са индустрии като автомобилостроенето, космическата промишленост, отбраната, корабостроенето, добивът на петрол и газ, селскостопанската техника и други подобни производства.

Според актуален доклад на маркетинговата агенция Technavio, посветен на глобалния пазар на инструменти за металорежещи машини, динамиката в тези отрасли ще управлява търсенето на инструменти за металорежещи машини в световен мащаб и в бъдеще. Навлизането на роботиката и автоматизацията в производството, познато като четвъртата индустриална революция, е вече в ход в световен мащаб, подчертават анализаторите от Technavio.

Увеличаването на инвестициите за интегриране на IT в производството с цел постигане на по-добро качество и по-прецизна обработка на метални изделия се очаква допълнително да стимулира пазара на металорежещи инструменти, сочи още докладът.

През 2016 г. този пазар в глобален мащаб е оценен на 36,04 млрд. щатски долара. Предвижда се през периода 2017-2021 г. той да нарасне до 54,56 млрд. долара, показват данните, изнесени от Technavio.

В бъдеще експертите от маркетинговата компания очакват комбиниран годишен темп на растеж на пазара от 8,65%. Динамиката на автомобилния сегмент ще има пряко въздействие върху търсенето на пазара за режещи инструменти за металообработващи машини, тъй като този отрасъл е и един от най-големите му потребители понастоящем, посочват от Technavio.

Ръст на пазара на инструменти за високоскоростно рязане на стомана
Все повече високотехнологични производствени предприятия използват инструменти за високоскоростно рязане на стомана (HSS) с цел по-голяма лекота и ефективност при производството на метални изделия. Същевременно, клиентите по цял свят изискват продукти, създадени с най-високо качество за минимално време и на по-ниска цена.

Ето защо много компании днес внедряват в производствата си HSS металорежещи инструменти за фрезоване, пробиване, рязане, разстъргване, калиброване, протегляне, нарязване на зъбни колела и т. н. Ефективното оползотворяване на потенциала на тези инструменти спомага за значително намаляване продължителността на производствения цикъл на продуктите и повишаване на тяхното качество.

Обработка на несъдържащи желязо сплави
Сред водещите тенденции в развитието на инструменталната екипировка за металорежещи машини е все по-богатият избор от инструменти за обработка на алуминий. В търсенето на горивна ефективност употребата на алуминий в производството на автомобили постоянно се увеличава.

И ако през 1980 г. алуминият съставлява приблизително 3% (или около 34 кг) от масата на един средностатистически автомобил, до 1990 г. този процент се е повишил до около 5%. Прогнозите за дизайна и конструкцията на автомобилите от бъдещето предсказват, че употребата на алуминий ще се увеличи от 10% до 20% от общото тегло на автомобила, като се очаква повече от този метал да се използва в блоковете на двигателя, главите на цилиндрите и корпусите.

Въпреки че карбидите без покритие и поликристалните диамантени инструменти понастоящем са сред водещите решения в областта на струговането, фрезоването и пробиването на алуминиево-силициеви сплави, нарастващата употреба на алуминий ускори развитието на карбидните режещи инструменти с тънкослойно диамантено покритие.

Инструментите с диамантено покритие предлагат устойчивост на износване, сравнима с поликристалните диамантени материали, като същевременно осигуряват множество ръбове на вложката и способност да поддържат сложни геометрии за стружкоотделяне.

Двойното предимство, гарантирано от високата устойчивост на износване и геометричната гъвкавост, прави режещите инструменти с диамантено покритие отлична алтернатива на карбидите без покритие, както и на скъпите PCD инструменти за обработващи центри.

Диамантеното покритие се прилага при все по-сложни геометрии на инструментите, включително при свредла и фрези. При хипоелектрическия алуминий, както и при магнезиевите сплави, покритията от титанов диборид (TiB2), получени чрез процес на физическо отлагане на пари (PVD), са сред иновациите, насочени към подобряване на производителността.

Нови чугуни
Сивият чугун, друг традиционен материал в производството на автомобили, днес все по-често се замества от по-здрави и с по-висока якост сферографитни (нодуларни) чугуни в компоненти като корпуси, колянови и разпределителни валове. Силата и якостта, които превръщат тези чугуни в желани материали за изработка на детайлите обаче, ги правят трудни за машинна обработка.

Инструментите за обработване на такива материали трябва да са устойчиви на абразивно износване и да издържат множество прекъсвания на рязането, както и да са способни на изключително високи скорости на рязане и подаване.

Сферографитните чугуни обикновено биват обработвани с карбидни вложки, покрити чрез химическо изпаряване (CVD). CVD покритията са търговски достъпни от около 30 години и фактът, че повече от половината от продаваните вложки са с такива покривни технологии, свидетелства за ефективността им.

Високите температури (около 1000°С), прилагани в процеса на CVD обаче, създават специфична крехкост, наречена “ета фаза”, в граничната зона между покритието и субстрата. В зависимост от степента си, крехкостта може да повлияе на изпълнението при операции, включващи прекъсвания на нарязването и несъответствие на микроструктурата на детайла, каквито съществуват при някои сферографитни чугуни.

Наскоро разработените среднотемпературни CVD (MTCVD) покрития показват понижена тенденция към образуване на ета фаза. Инструментите с MTCVD покритие предлагат повишена устойчивост на топлинни удари и отчупване на ръбове в сравнение с конвенционалните инструменти, обработени с CVD. Резултатът е по-дълъг живот на инструмента, както и повишена якост в сравнение с високотемпературните покрития.

Остри и здрави режещи ръбове на вложките
Плазмено-вакуумните покрития (PVD) също предлагат предимства пред CVD технологиите при определени операции и обработвани материали. Комерсиализиран в средата на 80-те години на миналия век, PVD процесът включва относително ниски температури на отлагане (приблизително 500°С) и позволява покриване на режещите ръбове на вложките. (Обикновено CVD покритите ръбове се заточват преди нанасяне на покритието, за да се сведе до минимум ефектът на ета фазата.)

Острите, яки ръбове на вложката са от съществено значение при операции като фрезоване, пробиване, резбоване и рязане, както и за ефективно обработване на материали с отделяне на дълги стружки, като нисковъглеродните стомани.

Всъщност широк спектър от “проблемни” материали като титан, сплави на никел и несъдържащи желязо материали, могат да бъдат обработвани ефективно чрез инструменти с PVD покритие. От гледна точка на структурата на детайла острите ръбове намаляват силите на рязане, така че PVD покритите инструменти могат да предложат истинско предимство при обработката на тънкостенни компоненти.

Първите PVD покрития са от титанов нитрид (TiN), но най-актуалното развитие на PVD технологиите включва титанов карбонитрид (TiCN) и титано-алуминиев нитрид (TiAlN), които осигуряват по-висока твърдост, повишена якост и подобрена износоустойчивост. Инструментите с TiAlN, благодарение на тяхната по-висока химическа стабилност, гарантират повишена устойчивост на химическо износване и по този начин подобряват възможностите на инструментите за високоскоростно рязане.

Последните новости при PVD покритията включват “меки” покрития като молибденов дисулфид (MoS2) за сухи сондажни приложения. Комбинациите от меки и твърди покрития, като MoS2 върху PVD TiN или TiAlN, също демонстрират сериозен потенциал, тъй като твърдото (TiN или TiAlN) покритие осигурява устойчивост на износване, докато по-мекият, по-смазващ се външен слой ускорява потока на стружките.

Напредък в областта на сухата машинна обработка
В някои страни все по-строгите екологични разпоредби, регулиращи изхвърлянето на охлаждащи течности за рязане, водят до по-масово използване на процеси по суха обработка на метали. Независимо че сухото обработване не е подходящо за всеки процес и материал за изработка на детайли, в много случаи внимателният подбор на материала на режещия инструмент може да позволи на потребителя да сведе до минимум или да избегне използването на охладител.

Режещ инструмент с плътен слой от алуминиево покритие би позволил по-високи скорости на подаване при обработка на стомана, намалявайки времето за контакт на вложката с детайла. Така намалява и експозицията на инструмента на високи температури при рязане, като по този начин се постига високопроизводителна суха машинна обработка.

В допълнение, подобрените покрития като PVD TiAlN могат да осигурят добра ефективност при суха обработка или с минимални охладителни системи. Смазващите PVD MoS2 покрития могат също да улеснят сухото пробиване и протегляне. Фокусът върху сухата машинна обработка обещава допълнително да ускори развитието на технологиите в областта на режещите инструменти с висока устойчивост на топлинно натоварване.

Металокерамика за Near Net производство
Металокерамичните инструменти (също ефективни при суха обработка) са един от аспектите на отговора, който дават производителите на режещи инструменти на тенденциите в т. нар. near net shape производство.

Тези тенденции водят до намаляване на производствените разходи чрез леене и изковаване на компоненти до крайната им (нетна) форма, като по този начин се намалява броят на машинните операции, необходими за завършване на един детайл. Така са нужни по-малко тежки и груби операции, а необходимостта от инструменти, конструирани за довършителни и финални операции, се разширява.

Разработването на металокерамични инструменти е един от начините индустрията да се справи с потребността от решения за near net shape производство. Металокерамиката, състояща се главно от титанов карбонитрид (TiCN) със свързващо вещество никел-кобалт, е твърда и химически стабилна, което води до високата й устойчивост на износване.

Тя обработва най-добре материали, които отделят сферографитни стружки, като различни стомани и сферографитни чугуни. Повишената издръжливост позволява на металокерамичните режещи инструменти да обработват въглерод, неръждаема стомана и сферографитен чугун при високи скорости, като същевременно създават отлични повърхности с финишна обработка.

Някои от най-новите модели металокерамични инструменти комбинират отлична устойчивост на деформация и химическо износване с висока степен на издръжливост, което позволява да бъдат използвани, както в довършителни, така и при финишни операции. PVD покритията допълнително повишават производителността на металокерамиката при обработка на голямо разнообразие от материали.

Обработка на закалени детайли
Два са факторите – законите за опазване на околната среда (изхвърляне на охладители и стружки) и икономическите опасения (високата цена на шлайфането), които ускоряват постепенната подмяна на този метод в масовата практика с механична обработка на закалените детайли.

Производителите на режещи инструменти постоянно разработват, тестват и оценяват продукти, проектирани да осигуряват максимална производителност при операции с тежка обработка. Тези инструменти включват супертвърди материали като поликристален кубичен борен нитрид (PCBN), както и керамика.

Покритията, които намаляват фрикционната топлина и стимулират по-дълъг живот на инструмента, са сред най-новите концепции, прилагани при инструментите за обработка на закалени детайли (hard turning). При работни тестове, инструментите с такива покрития надминават по показатели други PCBN инструменти с 20 до 100%. Покритията също са доказали ефективността си върху керамичните инструменти, проектирани за обработка на закалени детайли.

В ситуации, при които закаленият детайл няма грапавини или други прекъсвания, покритата металокерамика предлага повече режещи ръбове на по-ниска цена и може да бъде ефективна ценова алтернатива на PCBN инструментите за закалени детайли.

Трудни за обработка заготовки за машинни детайли
Ако по-високите производствени норми с все по-кратки времена за обработка, непрекъснатото подобряване на качеството и необходимостта от активно усвояване на по-сложни техники за суха машинна обработка не са достатъчни, то постоянното търсене на повишени показатели при произвежданите продукти налага използването на нови, все по-трудни за обработка материали за производство на метални детайли и изделия.

Сред тенденциите, определящи посоката на развитие на технологиите в този сегмент, са: разработката на високотемпературни аерокосмически сплави; замяната на алуминия със сплави с по-висока якост при производството на самолетни корпуси; използването на високоякостен сферографитен чугун в автомобилната индустрия; използването на алуминиево-силициеви сплави; използването на магнезий и композитни материали и др.

Внедряването на тези нови материали в производствените програми на машиностроителните предприятия се очаква с течение на времето да провокира разработването на широка гама нови режещи инструменти, металообработващи машини и металорежещи процеси при условия на суха обработка.

Усъвършенствана керамика за труднообработваеми материали
Керамичните инструменти са високотехнологични продукти, които постоянно намират нови области на приложение в машиностроенето. Докато наскоро въведените в производствената практика инструменти от силициев нитрид предлагат подобрена устойчивост на фрактури (лом) в сравнение с предшествениците си, тяхната относително ниска устойчивост на химическо износване ограничава използването им само до обработката на сферографитни чугуни.

Въпреки това, износоустойчивите алуминиеви CVD покрития са разширили обхвата на приложение на силициево-нитридните инструменти, в който вече се включват и трудните за обработка чугуни.

По отношение на керамиката, базирана на алуминиева основа (A1203), добавянето на силициево-карбидни влакна осигурява повишена производителност при обработката на инконел и сходни високоякостни, високотемпературни сплави в космическата индустрия. Монокристалните влакна отклоняват пукнатините в кристалната решетка на алуминия и по този начин подобряват якостта на счупване на инструмента.

Развитие при геометриите
Общият стремеж по време на цялостния процес на производство в областта на инструментите за металорежещи машини е към повишена производителност и надеждност. Тъй като металорежещите операции стават все по-фини, връзката между микрогеометрията на режещия инструмент (заточването на режещия ръб) и макрогеометрията (топографията на режещата повърхност) става все по-важна.

Насочването на стружкоотделянето, животът на инструмента, финализирането на детайла и точността днес могат да бъдат значително подобрени чрез прилагане на правилната комбинация от микро- и макрогеометрия заедно с подходящия субстрат и покритие.

Насочването на стружкоотделянето, разсейването или отклоняването на топлината чрез топографии с ограничени контакти и намалените сили на рязане в резултат на позитивни режещи повърхности водят до подобрени показатели на съвременните, модерно формовани геометрии на режещите вложки.

Напредъкът в технологиите за производство на инструменти дава възможност за по-прецизно съгласуване на макрогеометрията им с изискванията на различни специфични приложения за обработка.