Выбор идеального инструмента для обработки закаленной стали

Что такое закаленная сталь?

Закаленная сталь — сталь с мартенситной структурой и твердостью выше HRC 50 после закалки. Занимает большую долю среди труднообрабатываемых материалов. Шлифование — традиционный метод обработки закаленной стали. Однако точение, фрезерование, расточка, сверление и растачивание часто используют для повышения эффективности и решения проблемы сложных ошибок формы и положения после шлифования и закалки.

Характеристики закаленной стали при резании

• (1) Основные резащие характеристики: высокая твердость, высокая прочность, практически нулевая пластичность.
• (2) Большие резащие силы и высокая температура резания.
• (3) Высокая твердость и ломкость — стружка трудно образуется, но на обработанной поверхности получают низкую шероховатость.
• (4) Режущий край легко сколачивается и изнашивается.
• (5) Низкая теплопроводность.

Как выбрать материал режущего инструмента для обработки закаленной стали?

Разумный выбор материала инструмента — ключевое условие для обработки закаленной стали. Исходя из резащих характеристик, материал должен обладать не только высокой твердостью, износостойкостью и термостойкостью, но и определенной прочностью и теплопроводностью.

(1) Твердые сплавы (Цементированные карбиды)

Для улучшения характеристик предпочитают твердые сплавы с соответствующим содержанием TiC или NbC сверхтонких частиц. Добавление TiC и NbC в WC-Co утончает зерно, повышает износостойкость. TiC снижает коэффициент трения, уменьшает температуру резания, повышает устойчивость к горячим трещинам и термической деформации. Одновременно зерно WC уточняется до 0,5–1 мкм. Твердость растет на HRA 1,5–2, изгибная прочность — на 600–800 МПа, высокая температурная твердость увеличивается.

Частые марки для резания закаленной стали: YM051, YM052, YN05, YN10 и др.

(2) Керамические режущие инструменты

Добавление TiC и др. в оксид алюминия, горячее прессование повышает плотность керамики, улучшает свойства Al₂O₃-керамики. Твердость керамики достигает HRA 95,5, изгибная прочность 800–1200 МПа, теплостойкость 1200–1300 °C. В работе снижают адгезионный и диффузионный износ. Керамические резаки подходят для точения, фрезерования, расточки, строгания закаленной стали.

(3) Инструменты из кубического нитрида бора (CBN)

Твердость HV 8000–9000, составная изгибная прочность 900–1300 МПа, высокая теплопроводность, теплостойкость 1400–1500 °C — максимальная среди материалов режущих инструментов. Очень подходят для чистового и получистового точения закаленной стали.

Итог: лучший материал для резания закаленной стали — пластины из кубического нитрида бора (CBN), далее керамические резаки, затем новые марки твердых сплавов.

Как выбрать режущие режимы при обработке закаленной стали?

Режимы подбирают по физико-механическим свойствам материалов инструмента и заготовки, форме детали, жесткости технологической системы и припуску. При выборе трех элементов режимов: сначала — разумная скорость резания, вторая — глубина резания, третья — скорость подачи.

(1) Скорость резания Vc

По опыту, скорости резания закаленной стали разными материалами:

• Твердый сплав: Vc = 30–75 м/мин
• Керамика: Vc = 60–120 м/мин
• CBN: Vc = 80–250 м/мин

При прерывистом резании и слишком высокой твердости заготовки скорость снижают, обычно до > 1/2 от мин. скорости.

(2) Глубина резания ap

Обычно по припуску и жесткости системы. Обычно ap = 0,1–3 мм.

(3) Скорость подачи fr

Обычно 0,05–0,5 мм/об. При высокой твердости заготовки или прерывистом резании для снижения единичной резащей силы подачу уменьшают, чтобы предотвратить сколы на лезвии.

Как применять CBN-инструменты для резания закаленной стали?

CBN-резаки 주로 применяют для резания различных закаленных сталей и других труднообрабатываемых материалов. Не только высокая интенсивность удаления металла, но и хорошее качество поверхности. Резание закаленных сталей эффективно заменяет шлифование, сокращает операции, повышает производительность. Благодаря высокой твердости (HV 8000–9000) и теплостойкости (1400–1500 °C) допускают скорость резания в несколько раз выше твердых сплавов, долговечность в несколько–десятки раз выше. CBN-резаки не подходят для низкоскоростного резания. CBN-инструмент в малой зоне реза нагревает материал за счет тепла резания, размягчая его.

При обработке материалов HRC 55–65 скорость CBN-инструмента 90–200 м/мин. При фрезеровании: Vc = 100–160 м/мин, Vf = 70–160 мм/мин; при расточке: Vc = 60–130 м/мин, ap = 0,1–0,2 мм, f = 0,07–0,2 мм/об. CBN-резаки в основном для получистовой и чистовой обработки закаленной стали, эффективность ~в 10 раз выше шлифования.

Пример резания закаленной стали CBN-инструментом

Резание закаленной стали — классическая труднообрабатываемая задача. Раньше считали, что только шлифование. Теперь благодаря прогрессу резащей технологии применяют точение, фрезерование, строгание, сверление вместо шлифования.

Закаленная подшипниковая сталь (GCr15) точена пластиной CBN KBN100, твердость детали HRC 62. Деталь — внешнее кольцо подшипника. Режимы: Vc = 115 м/мин, ap = 0,3 мм, f = 0,1–0,2 мм/об, долговечность 60 мин, шероховатость Ra 1,6.

Резюме

По современному опыту, при наличии подходящего станка и условий, пластины из кубического нитрида бора (CBN) — наиболее подходящий инструмент для обработки закаленной стали.