Развитието на режещите инструменти и инструменталните машини е взаимно свързано

Едно от най-важните изисквания към процеса на обработване на материалите чрез рязане е увеличаване скоростите на работните движения при използване на нови инструментални материали. В последните десетилетия инструменталното производство даде нови възможности за неколкократно увеличение на скоростта на рязане, при което новите материали като кубичен борен нитрид, поликристален диамант, оксидна керамика и други показват все още стръмен характер на развитие и водят до нови увеличения на скоростта.

 Съвременна тенденция в обработването на материалите е високоскоростното рязане (High Speed Cutting (HSC) или High Velocity Machining (HVM)), което се появи като явление през 80-те години на 20-ти век. Това понятие създава различни представи: екстремни честоти на въртене на вретеното; значително увеличение на подавателните скорости; такива скорости на рязане, при които детайлът остава студен; при обработка на сложни 3D-повърхнини от стоманени детайли техните качества да бъдат такива, че да направят излишно допълнителното ръчно обработване (например полиране).

В последно време на преден план излиза голямата стружкова производителност. За да бъде постигната тя обаче, е необходимо трите фактора: мощността на вретеното, честотата на неговото въртене и подавателната скорост, да бъдат съгласувани в подходящо съотношение.

Високите скорости при HSC изискват съвременни инструментални материали
Скоростите на рязане при HSC варират според обработвания материал между 1000 и 7000 m/min. Тези скорости са възможни само при използване на съвременни инструментални материали и съответно гарантиране на необходимата трайност на инструментите.

HSC е мощен метод на рязане, който трябва да изпълни четири изисквания: значително съкращаване на главното време чрез високи честоти на въртене на инструмента и високи подавателни скорости, т. е. чрез голяма стружкова производителност; намаляване на силата на рязане чрез високи честоти на въртене на инструмента; избягване на загряването на детайла, като основното количество топлина се отвежда чрез стружките; чувствително подобряване на качеството на обработваната повърхнина, при което отпада допълнителното обработване.

Първото изискване се постига чрез увеличаване на мощността и бързоходността на главните преводи на инструменталните (металорежещи, металообработващи и др.) машини при пълното използване на възможностите на съвременните режещи инструменти.

Второто изискване има смисъл основно при обработване на детайли, които са чувствителни към статичните и динамичните силови натоварвания при рязане. Редица материали като например графита или алуминия (при тънки стени на детайла) не могат да се обработват на традиционните инструментални машини при обичайните днес условия на рязане.

Графитът е много трошлив материал и лесно се откъртва. Тънките стени на алуминиевите детайли се деформират от силата на рязане и правят невъзможно постигането на желаната точност. В тези случаи помага обработване с много високи честоти на въртене 30 000 ё
100 000 min-1. При тези условия силите на рязане са незначителни.

Третото изискване се отнася до детайли, при които загряването е нежелано. Високите скорости на главното и подавателните движения водят до това, че скоростта на снемане на материала изпреварва скоростта на разпространение на топлината в детайла, т. е. основната част от образуваната при рязане топлина се отвежда чрез стружките и детайлите остават сравнително студени. Заедно с това се редуцира и топлинното натоварване на режещите ръбове на инструмента.

Четвъртото изискване намира смисъл при обработване на 3D-повърхнини (матрици, пресформи и т. н.). Значително ускореното рязане обуславя по-добри качества на обработваните повърхнини. Често това не повишава производителността, защото скоростите на подавателните движения се запазват в обичайните стойности, но се спестяват допълнителните операции за довършващо обработване, които най-често са ръчни, бавни и трудопоглъщащи (напр. полирането).

Тези изисквания дават отражение и върху машините за високоскоростно рязане, които те трябва да притежават:
• висока стабилност на конструкцията, за да се избегнат трептенията и резонансите, които правят невъзможно прилагането на HSC. Това налага машините да имат много къси направляващи, здрави шейни и къси конзолни части
• добре балансирани вретенни възли без трептене, защото при тези високи скорости наличието на такива трептения, не само че ще нарани обработваната повърхнина на детайла, но ще създаде също опасност от счупване на инструмента. Ако при тези честоти на въртене се откърти парче от инструмента или детайла, то излита с енергията на куршум. Ето защо зоната на рязане трябва да бъде екранирана със степен на противокуршумна защита.
• минимални маси на подвижните елементи, за да се достигнат ускорения от 1 до 3 g (g = 9,81 » 10 m/s2). Това налага разработване на нови концепции на задвижване, каквито са например директните преводи с линейни електромотори. Тежките въртящи маси нямат вече приложимост тук – те се заменят с бързоподвижни кръстати шейни със съгласувани движения.
• монтиране на аспирационни уредби, които да изсмукват директно от зоната на рязане образуваните фини стружки и прах. В противен случай те попадат върху направляващите и ги повреждат, а разпространението им в околната среда нарушава екологичните норми.
Изпълнението на тези изисквания доведе до развитие на технологиите на инструменталното производство – материали, покрития, геометрия и т. н.

Интензивно развитие търпи металокерамиката
Тя драстично подобри качествата си и успешно измества твърдосплавните инструменти, особено тези за високоскоростно рязане. Тези материали имат повишена топлоустойчивост – до 1200 °С, което позволява да се обработват материали с по-голяма твърдост и при по-високи скорости. За избягване на счупването на инструментите от керамика се разработват керамични композитни материали.

Режещата керамика от вида на силициевия карбид SiCw – „ускер” е проектирана, за да обедини в себе си високата издръжливост и превъзходната устойчивост на разрушаване, топлоустойчивостта и износоустойчивостта на инструментите. Ускерът е прекъсната нишка с диаметър 0,1 - 1 mm и с дължина до 100 mm.

При включване на SiCw в алуминиевата керамика се увеличава якостта й на умора и устойчивостта й на пълзене при високи температури. Ускерът се използва много успешно при рязане с високи скорости на труднообработваеми алуминиеви, титанови и никелови сплави. Така се изработват режещи пластини и монолитни палцови фрези.

За повишаване на твърдостта при високи температури и за подобряване на условията на работа на повърхностния слой на режещия материал се нанасят покрития като TiCN, TiAlN и др.

Например за обработване на материали с твърдост до HRC42. За инструменти с диаметър по-голям от 12 mm се използва WC с 8 -12% съдържание на кобалт.

Големината на зърната е по-малка от 1 mm. Нанася се покритие от TiAlN, което има най-малка топлопроводност и осигурява голяма твърдост при високи температури и добра пластичност. С това покритие трайността на инструмента се увеличава, като качеството на покритието зависи от съотношението на Ti:Al.

Алуминият в покритието създава по време на рязането алуминиев оксид, който прави по-пластичен материала на детайла и помага за пренасянето на топлината в стружките, с което предпазва режещия ръб на инструмента. Направените изследвания показват, че при обработване на стомана с твърдост до 57 HRC, при едни и същи режими и условия на високоскоростно фрезоване, покритието от TiAlN дава по-добра трайност отколкото TiCN.

Разработват се нанотехнологии за нанасяне на покрития
В последните години се разработват и нанотехнологии за нанасяне на покритие върху пластини за фрезови инструменти. Най-често се използват две технологии. При първата формулата е TH (TiSiN), при която се нанася композитен слой от нанокристален материал чрез PVD-метода. Той увеличава твърдостта и значително увеличава топлоустойчивостта до 1100 °С на пластините. При втората технология формулата е TB (TiBoN). Тя има много добри смазващи качества при високи температури. Това е нов тип материал за покрития, известен под името “Hybrid”.

И двете покрития се използват за високоскоростно фрезоване на твърди материали (40ё65 HRC). Те подобряват трайността на инструмента, като се увеличава ефективността им до два пъти в сравнение с монолитни твърдосплавни палцови фрези. Покритието генерира по-малка топлина по време на рязането, като позволява да се работи без охлаждане. Инструментите, на които са нанесени тези покрития, увеличават трайността си с 30%.

Тенденция е изработването на инструменти и пластини с винтови режещи ръбове
Съвременна тенденция в инструменталното производство е изработването на инструменти и пластини с винтови режещи ръбове, което се прилага от много фирми-производителки, както за монолитни фрези, така и за сменяеми пластини. Така всеки режещ ръб навлиза постепенно в детайла, при което силите на рязане също се увеличават плавно. Тези пластини са квадратни (за обработване на рамена под 90°, чела и джобове), ромбоидни и профилни.

Палцовите фрези със сферичен край са особено подходящи при високо скоростно фрезоване. Те могат да обработват грубо най-различни кухини, сърцевини и 3D-повърхнини. Също могат да се използват за чисто обработване на всички видове материали, независимо от твърдостта им. Сферичната форма позволява топлината, която се образува по време на рязането да се разпределя на по-голяма площ.

Тези инструменти работят и при големи дълбочини на рязане. Сферичната форма на режещия ръб е причина процентно по-голямата част от силата на рязане да се насочи към вретеното на машината, което е по-стабилно от инструменталния комплект. Това води и до намаляване на вибрациите на инструмента.

Палцовите фрези със сферичен край с кръгли индексирани пластини могат да бъдат с един или два режещи ръба. Използват се пластини от WC или от PCBN. Тези пластини служат за обработване на твърди материали. При високоскоростното фрезоване могат да се използват и палцови фрези с квадратни пластини, но ъгълът при върха трябва да е оформен с радиус на закръгление.

Особеното при тях е, че образуваната топлина по време на рязането се насочва към ъгъла и се разпределя на по-голяма площ. Тези инструменти могат да се използват за обработването на странични стени с отворено дъно за груба и за чистова обработка.

Увеличават се скоростта на рязане и скоростта на подавателните движения
Развитието на инструменталните материали обуслови увеличение не само на скоростта на рязане, но и на скоростта на подавателните движения на инструменталните машини. Стана възможно подавателната скорост да превишава скоростта на разпространение на топлината в детайла, при което по-голямата част от нея се отвежда чрез стружките.

Така отпадна неизбежното досега условие за охлаждане на детайла с мажещо-охлаждаща течност (МОТ), т. е. да се реже „на сухо”. Така например, ако през 2004 г. от произведените в Германия инструментални машини (ИМ) само 9% са били създадени за сухо рязане, то през 2010 г. този дял вече възлиза на 60%. На фиг. 2 е даден делът на инструменталните машини, които работят при рязане на сухо без използване на МОТ.

Както се вижда, основната част от: обработващите центри (95%) за ротационно-симетрични (РСД) и призматично-корпусни (ПКД) детайли, които съставляват 40% от машинния парк, от фрезовите машини (85%), които съставляват 23% от машинния парк, от струговите и други видове ИМ, работят на сухо.

Друга тенденция в обработването на материалите чрез рязане е микрорязането, което е насочено към реализация на микротехнологиите. Днес например е възможно фрезоване на детайли чрез инструменти с диаметри 0,1 ё 0,06 mm с два режещи ръба, като могат да се обработват материали с твърдост над 62 HRC. По този начин може да се извърши и полиране на повърхнини, операция, която доскоро се извършваше само ръчно (трудоемко и продължително).

доц. Галина Николчева, проф. Георги Попов, ТУ София