1. Grundlegende Eigenschaften, die Werkzeugmaterialien haben sollten
Die Auswahl der Werkzeugmaterialien hat einen großen Einfluss auf die Werkzeuglebensdauer, die Verarbeitungseffizienz, die Verarbeitungsqualität und die Verarbeitungskosten. Beim Schneiden müssen Werkzeuge hohem Druck, hohen Temperaturen, Reibung, Stößen und Vibrationen standhalten. Daher sollten Werkzeugmaterialien die folgenden grundlegenden Eigenschaften aufweisen:
(1) Härte und Verschleißfestigkeit. Die Härte des Werkzeugmaterials muss höher sein als die Härte des Werkstückmaterials und muss im Allgemeinen über 60 HRC liegen. Je höher die Härte des Werkzeugmaterials, desto besser die Verschleißfestigkeit.
(2) Festigkeit und Zähigkeit. Das Werkzeugmaterial sollte eine hohe Festigkeit und Zähigkeit aufweisen, um Schnittkräften, Stößen und Vibrationen standzuhalten und Sprödbrüche und Absplitterungen des Werkzeugs zu verhindern.
(3) Hitzebeständigkeit. Das Werkzeugmaterial sollte eine gute Hitzebeständigkeit aufweisen, hohen Schnitttemperaturen standhalten und über gute antioxidative Eigenschaften verfügen.
(4) Prozessleistung und Wirtschaftlichkeit. Das Werkzeugmaterial sollte gute Schmiedeeigenschaften, Wärmebehandlungseigenschaften, Schweißeigenschaften, Schleifeigenschaften usw. aufweisen und ein hohes Preis-Leistungs-Verhältnis aufweisen.
2. Arten, Leistungen, Eigenschaften und Anwendungen von Werkzeugmaterialien
1. Arten, Eigenschaften und Merkmale von Diamantwerkzeugmaterialien und Werkzeuganwendungen
Diamant ist ein Allotrop des Kohlenstoffs und das härteste in der Natur vorkommende Material. Diamantwerkzeuge haben eine hohe Härte, hohe Verschleißfestigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit und werden häufig bei der Verarbeitung von Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Materialien verwendet. Insbesondere beim Hochgeschwindigkeitsschneiden von Aluminium und Silizium-Aluminium-Legierungen sind Diamantwerkzeuge die wichtigste Schneidwerkzeugart, die schwer zu ersetzen ist. Diamantwerkzeuge, die eine hohe Effizienz, hohe Stabilität und lange Lebensdauer erreichen, sind ein unverzichtbares und wichtiges Werkzeug in der modernen CNC-Verarbeitung.
1) Arten von Diamantwerkzeugen
① Werkzeuge aus Naturdiamanten: Naturdiamanten werden seit Hunderten von Jahren als Schneidwerkzeuge verwendet. Nach dem Feinschleifen kann das Werkzeug aus natürlichem Einkristalldiamant extrem scharf sein, mit einem Schneidkantenradius von bis zu 0,002 μm, wodurch ultradünne Schnitte erzielt werden können und Werkstücke mit extrem hoher Präzision und extrem geringer Oberflächenrauheit bearbeitet werden können. Es ist ein anerkanntes, ideales und unersetzliches Werkzeug zur ultrapräzisen Bearbeitung.
② PCD-Diamantwerkzeug: Natürlicher Diamant ist teuer, und der am häufigsten zum Schneiden verwendete Diamant ist polykristalliner Diamant (PCD). Seit den frühen 1970er Jahren, nach der erfolgreichen Entwicklung von Klingen aus polykristallinem Diamant (Polycrystauine-Diamant, PCD genannt), die durch Hochtemperatur- und Hochdrucksynthesetechnologie hergestellt wurden, wurden natürliche Diamantwerkzeuge in vielen Fällen durch künstliche polykristalline Diamanten ersetzt. PCD-Rohstoffe sind reichlich vorhanden, und sein Preis beträgt nur einige Zehntel bis ein Dutzend natürlicher Diamanten.
PCD-Werkzeuge können keine extrem scharfen Kanten schleifen und die Oberflächenqualität des bearbeiteten Werkstücks ist nicht so gut wie bei natürlichem Diamant. Derzeit ist es in der Industrie nicht einfach, PCD-Klingen mit Spanbrechern herzustellen. Daher kann PCD nur zum Präzisionsschneiden von Nichteisenmetallen und Nichtmetallen verwendet werden, und es ist schwierig, ein hochpräzises Spiegelschneiden zu erreichen.
③ CVD-Diamantwerkzeuge: Die CVD-Diamanttechnologie gibt es in Japan seit den späten 1970er und frühen 1980er Jahren. CVD-Diamant bezieht sich auf die Synthese eines Diamantfilms auf einem heterogenen Substrat (wie Hartmetall, Keramik usw.) durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD). CVD-Diamant hat die gleiche Struktur und Eigenschaften wie natürlicher Diamant.
Die Leistung von CVD-Diamant kommt der von natürlichem Diamant sehr nahe. Er hat die Vorteile von natürlichem Einkristalldiamant und polykristallinem Diamant (PCD) und überwindet bis zu einem gewissen Grad deren Nachteile.
(2) Leistungsmerkmale von Diamantwerkzeugen
① Extrem hohe Härte und Verschleißfestigkeit: Natürlicher Diamant ist die härteste in der Natur vorkommende Substanz. Diamant hat eine extrem hohe Verschleißfestigkeit. Bei der Bearbeitung von Materialien mit hoher Härte beträgt die Lebensdauer von Diamantwerkzeugen das 10- bis 100-fache der Lebensdauer von Hartmetallwerkzeugen oder sogar bis zu mehreren hundert Mal.
② Sehr niedriger Reibungskoeffizient: Der Reibungskoeffizient zwischen Diamant und einigen Nichteisenmetallen ist niedriger als bei anderen Werkzeugen. Ein niedriger Reibungskoeffizient bedeutet weniger Verformung während der Verarbeitung, was die Schnittkraft verringern kann.
③ Sehr scharfe Schneide: Die Schneide von Diamantwerkzeugen kann sehr scharf geschliffen werden. Natürliche Einkristall-Diamantwerkzeuge können eine Schärfe von bis zu 0.002-0.008μm erreichen und ermöglichen ultradünne Schnitte und hochpräzise Bearbeitungen.
④ Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit: Diamant hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausbreitungskapazität, die Schneidwärme kann leicht abgeleitet werden und die Temperatur des Schneidteils des Werkzeugs ist niedrig.
⑤ Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient: Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Diamant ist um ein Vielfaches kleiner als der von Hartmetall, und die durch die Schneidwärme verursachte Änderung der Werkzeuggröße ist sehr gering, was insbesondere für die Präzisions- und Ultrapräzisionsbearbeitung mit hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit wichtig ist.
(3) Anwendung von Diamantwerkzeugen
Diamantwerkzeuge werden hauptsächlich zum Feinschneiden und Bohren von Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Werkstoffen bei hohen Geschwindigkeiten verwendet. Geeignet für die Bearbeitung verschiedener verschleißfester Nichtmetalle, wie glasfaserverstärkte Kunststoff-Pulvermetallurgierohlinge, Keramikmaterialien usw.; verschiedener verschleißfester Nichteisenmetalle, wie verschiedene Silizium-Aluminium-Legierungen; verschiedene Nichteisenmetall-Veredelungen.
Der Nachteil von Diamantwerkzeugen ist ihre schlechte thermische Stabilität. Wenn die Schnitttemperatur 700 bis 800 Grad übersteigt, verlieren sie ihre Härte vollständig. Darüber hinaus sind sie nicht zum Schneiden von Eisenmetallen geeignet, da Diamant (Kohlenstoff) bei hohen Temperaturen leicht mit Eisenatomen reagiert und Kohlenstoffatome in Graphitstrukturen umwandelt. Dadurch werden die Werkzeuge leicht beschädigt.
2. Arten, Eigenschaften und Merkmale von Werkzeugmaterialien aus kubischem Bornitrid und Werkzeuganwendungen
Kubisches Bornitrid (CBN), ein zweites superhartes Material, das mit einem Verfahren synthetisiert wird, das dem Diamantherstellungsverfahren ähnelt, ist in Härte und Wärmeleitfähigkeit nur Diamant unterlegen. Es hat eine ausgezeichnete thermische Stabilität und oxidiert nicht, wenn es in der Atmosphäre auf 10.000 Grad erhitzt wird. CBN hat für Eisenmetalle äußerst stabile chemische Eigenschaften und kann bei der Verarbeitung von Stahlprodukten weit verbreitet eingesetzt werden.
(1) Arten von Werkzeugen aus kubischem Bornitrid
Kubisches Bornitrid (CBN) ist eine Substanz, die in der Natur nicht vorkommt. Es kann in Einkristall und Polykristall unterteilt werden, nämlich CBN-Einkristall und polykristallines kubisches Bornitrid (kurz PCBN). CBN ist eines der Allotrope von Bornitrid (BN) und hat eine diamantähnliche Struktur.
PCBN (polykristallines kubisches Bornitrid) ist ein polykristallines Material, das durch Sintern feiner CBN-Materialien durch eine Bindephase (TiC, TiN, Al, Ti usw.) bei hoher Temperatur und hohem Druck hergestellt wird. Es ist derzeit das Werkzeugmaterial mit der zweithöchsten Härte nach künstlich synthetisiertem Diamant. Es und Diamant werden zusammen als superharte Werkzeugmaterialien bezeichnet. PCBN wird hauptsächlich zur Herstellung von Werkzeugen oder anderen Werkzeugen verwendet.
PCBN-Werkzeuge können in integrale PCBN-Klingen und mit Hartmetall gesinterte PCBN-Verbundklingen unterteilt werden.
PCBN-Verbundklingen werden durch Sintern einer {{0}},5-1,0 mm dicken PCBN-Schicht auf Hartmetall mit guter Festigkeit und Zähigkeit hergestellt. Seine Leistung kombiniert gute Zähigkeit mit hoher Härte und Verschleißfestigkeit. Es löst die Probleme der geringen Biegefestigkeit und des schwierigen Schweißens von CBN-Klingen.
(2) Haupteigenschaften und Merkmale von kubischem Bornitrid
Obwohl die Härte von kubischem Bornitrid etwas geringer ist als die von Diamant, ist sie viel höher als die anderer Materialien mit hoher Härte. Der herausragende Vorteil von CBN ist, dass seine thermische Stabilität viel höher ist als die von Diamant, die über 1200 Grad erreichen kann (Diamant hat 700-800 Grad). Ein weiterer herausragender Vorteil ist, dass es chemisch inert ist und bei 1200-1300 Grad nicht chemisch mit Eisen reagiert. Die wichtigsten Leistungsmerkmale von kubischem Bornitrid sind wie folgt.
① Hohe Härte und Verschleißfestigkeit: Die Kristallstruktur von CBN ähnelt der von Diamant und weist eine ähnliche Härte und Festigkeit wie Diamant auf. PCBN eignet sich besonders für die Bearbeitung von Materialien mit hoher Härte, die bisher nur geschliffen werden konnten, und ermöglicht eine bessere Oberflächenqualität des Werkstücks.
② Hohe thermische Stabilität: Die Hitzebeständigkeit von CBN kann 1400-1500 Grad erreichen, was fast 1-mal höher ist als die von Diamant (700-800 Grad). PCBN-Werkzeuge können Hochtemperaturlegierungen und gehärteten Stahl mit einer 3-5-mal höheren Geschwindigkeit schneiden als Hartmetallwerkzeuge.
③ Ausgezeichnete chemische Stabilität: Es reagiert bei 1200-1300 Grad nicht chemisch mit Eisenmaterialien und verschleißt nicht so stark wie Diamant. Gleichzeitig kann es die Härte von Hartmetall beibehalten; PCBN-Werkzeuge eignen sich zum Schneiden von gehärteten Stahlteilen und Hartgusseisen und können häufig beim Hochgeschwindigkeitsschneiden von Gusseisen verwendet werden.
④ Gute Wärmeleitfähigkeit: Obwohl die Wärmeleitfähigkeit von CBN nicht mit der von Diamant mithalten kann, liegt die Wärmeleitfähigkeit von PCBN unter allen Werkzeugmaterialien nur hinter der von Diamant und ist viel höher als die von Schnellarbeitsstahl und Hartmetall.
⑤ Niedriger Reibungskoeffizient: Ein niedriger Reibungskoeffizient kann zu einer verringerten Schnittkraft, einer niedrigeren Schnitttemperatur und einer verbesserten Oberflächenqualität beim Schneiden führen.
(3) Anwendung von Werkzeugen aus kubischem Bornitrid
Kubisches Bornitrid eignet sich zum Schlichten verschiedener schwer zu schneidender Materialien wie gehärtetem Stahl, hartem Gusseisen, Hochtemperaturlegierungen, Hartmetall, Oberflächenspritzmaterialien usw. Die Bearbeitungsgenauigkeit kann IT5 erreichen (IT6 für Löcher) und der Oberflächenrauheitswert kann so klein wie Ra1,25~0,20μm sein.
Werkzeugmaterialien aus kubischem Bornitrid weisen eine schlechte Zähigkeit und Biegefestigkeit auf. Daher sind Drehwerkzeuge aus kubischem Bornitrid nicht für die Grobbearbeitung bei niedriger Geschwindigkeit und hoher Stoßbelastung geeignet. Gleichzeitig sind sie nicht zum Schneiden von Materialien mit hoher Plastizität (wie Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Nickellegierungen, Stahl mit hoher Plastizität usw.) geeignet, da beim Schneiden dieser Metalle eine starke Aufbauschneide entsteht, die die bearbeitete Oberfläche verschlechtert.
3. Arten, Eigenschaften und Merkmale keramischer Werkzeugmaterialien und Werkzeuganwendungen
Keramikwerkzeuge zeichnen sich durch hohe Härte, gute Verschleißfestigkeit, ausgezeichnete Hitzebeständigkeit und chemische Stabilität aus und lassen sich nicht leicht mit Metallen verbinden. Keramikwerkzeuge nehmen bei der CNC-Bearbeitung eine sehr wichtige Position ein. Keramikwerkzeuge sind zu einem der Hauptwerkzeuge für Hochgeschwindigkeitsschneiden und schwer zu bearbeitende Materialien geworden. Keramikwerkzeuge werden häufig beim Hochgeschwindigkeitsschneiden, Trockenschneiden, Hartschneiden und Schneiden schwer zu bearbeitender Materialien verwendet. Keramikwerkzeuge können hochharte Materialien, die mit herkömmlichen Werkzeugen überhaupt nicht bearbeitet werden können, effizient bearbeiten, indem sie „Drehen statt Schleifen“ realisieren; die optimale Schnittgeschwindigkeit von Keramikwerkzeugen kann 2- bis 10-mal höher sein als die von Hartmetallwerkzeugen, wodurch die Schneidproduktionseffizienz erheblich verbessert wird; die wichtigsten Rohstoffe, die in keramischen Werkzeugmaterialien verwendet werden, sind die am häufigsten vorkommenden Elemente in der Erdkruste. Daher ist die Förderung und Anwendung von Keramikwerkzeugen von großer Bedeutung für die Verbesserung der Produktivität, die Senkung der Verarbeitungskosten und die Einsparung strategischer Edelmetalle und wird auch die Weiterentwicklung der Schneidtechnologie erheblich fördern.
(1) Arten von keramischen Werkzeugmaterialien
Keramische Werkzeugmaterialien können im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt werden: Keramik auf Aluminiumoxidbasis, Keramik auf Siliziumnitridbasis und Verbundkeramik auf Siliziumnitrid-Aluminiumoxidbasis. Unter ihnen werden keramische Werkzeugmaterialien auf Aluminiumoxid- und Siliziumnitridbasis am häufigsten verwendet. Die Leistung von Keramik auf Siliziumnitridbasis ist der von Keramik auf Aluminiumoxidbasis überlegen.
(2) Leistung und Eigenschaften von Keramikwerkzeugen
Die Leistungsmerkmale von Keramikwerkzeugen sind wie folgt:
① Hohe Härte und gute Verschleißfestigkeit: Obwohl die Härte von Keramikwerkzeugen nicht so hoch ist wie die von PCD und PCBN, ist sie viel höher als die von Hartmetall- und Schnellarbeitsstahlwerkzeugen und erreicht 93 bis 95 HRA. Keramikwerkzeuge können Materialien mit hoher Härte verarbeiten, die mit herkömmlichen Werkzeugen nur schwer zu verarbeiten sind, und eignen sich für Hochgeschwindigkeitsschneiden und Hartschneiden.
② Hohe Temperaturbeständigkeit und gute Hitzebeständigkeit: Keramikwerkzeuge können auch bei hohen Temperaturen über 1200 Grad schneiden. Keramikwerkzeuge haben hervorragende mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Al2O3-Keramikwerkzeuge haben eine besonders gute Oxidationsbeständigkeit. Die Schneide kann auch im glühenden Zustand kontinuierlich verwendet werden. Daher können Keramikwerkzeuge trocken schneiden, wodurch die Notwendigkeit von Schneidflüssigkeit entfällt.
③ Gute chemische Stabilität: Keramikwerkzeuge verbinden sich nicht so leicht mit Metallen, sind korrosionsbeständig und chemisch stabil, was den Bindungsverschleiß der Werkzeuge verringern kann.
④ Niedriger Reibungskoeffizient: Keramikwerkzeuge haben eine geringe Affinität zu Metallen und einen niedrigen Reibungskoeffizienten, was die Schnittkraft und die Schnitttemperatur verringern kann.
(3) Anwendungen von Keramikwerkzeugen
Keramik ist eines der hauptsächlich für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und Vorbearbeitung verwendeten Werkzeugmaterialien. Keramikwerkzeuge eignen sich zum Schneiden verschiedener Gusseisenarten (Grauguss, Sphäroguss, Temperguss, Hartguss, hochlegiertes verschleißfestes Gusseisen) und Stähle (Kohlenstoffbaustahl, legierter Baustahl, hochfester Stahl, hochmanganhaltiger Stahl, gehärteter Stahl usw.) und können auch zum Schneiden von Kupferlegierungen, Graphit, technischen Kunststoffen und Verbundwerkstoffen verwendet werden.
Keramische Werkzeugmaterialien weisen die Probleme einer geringen Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit auf und sind nicht zum Schneiden bei niedriger Geschwindigkeit und Schlagbelastung geeignet.
4. Leistung und Eigenschaften beschichteter Werkzeugmaterialien und Anwendung von Werkzeugen
Das Beschichten von Werkzeugen ist eine der wichtigsten Möglichkeiten zur Verbesserung der Werkzeugleistung. Das Aufkommen beschichteter Werkzeuge hat einen großen Durchbruch bei der Schneidleistung von Werkzeugen gebracht. Beschichtete Werkzeuge werden hergestellt, indem ein oder mehrere Schichten feuerfester Verbindungen mit guter Verschleißfestigkeit auf einen robusten Werkzeugkörper aufgetragen werden. Sie kombinieren das Werkzeugsubstrat mit einer harten Beschichtung und verbessern so die Werkzeugleistung erheblich. Beschichtete Werkzeuge können die Verarbeitungseffizienz verbessern, die Verarbeitungsgenauigkeit verbessern, die Werkzeuglebensdauer verlängern und die Verarbeitungskosten senken.
Etwa 80 % der in neuen CNC-Werkzeugmaschinen eingesetzten Schneidwerkzeuge sind beschichtete Werkzeuge. Beschichtete Werkzeuge werden in Zukunft die wichtigste Werkzeugart im Bereich der CNC-Bearbeitung sein.
(1) Arten beschichteter Werkzeuge
Je nach Beschichtungsverfahren können beschichtete Werkzeuge in durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) beschichtete Werkzeuge und durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) beschichtete Werkzeuge unterteilt werden. Beschichtete Hartmetallwerkzeuge verwenden im Allgemeinen die chemische Gasphasenabscheidung und die Abscheidungstemperatur beträgt etwa 1000 Grad. Beschichtete Schnellarbeitsstahlwerkzeuge verwenden im Allgemeinen die physikalische Gasphasenabscheidung und die Abscheidungstemperatur beträgt etwa 500 Grad.
Entsprechend den unterschiedlichen Grundmaterialien der beschichteten Werkzeuge können beschichtete Werkzeuge in hartmetallbeschichtete Werkzeuge, schnellarbeitsstahlbeschichtete Werkzeuge und beschichtete Werkzeuge auf Basis von Keramik und superharten Materialien (Diamant und kubisches Bornitrid) unterteilt werden.
Beschichtete Werkzeuge können je nach den Eigenschaften der Beschichtungsmaterialien in zwei Kategorien unterteilt werden: „harte“ und „weiche“. Das Hauptziel von „harten“ beschichteten Werkzeugen ist eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit. Ihre Hauptvorteile sind eine hohe Härte und eine gute Verschleißfestigkeit. Typische sind TiC- und TiN-Beschichtungen. Das Ziel von „weichen“ beschichteten Werkzeugen ist ein niedriger Reibungskoeffizient, auch als selbstschmierende Werkzeuge bekannt. Ihr Reibungskoeffizient mit dem Werkstückmaterial ist sehr niedrig, nur etwa 0.1, was die Haftung verringern, die Reibung reduzieren und die Schnittkraft und Schnitttemperatur senken kann.
Vor kurzem wurden nanobeschichtete Werkzeuge entwickelt. Diese Art von beschichtetem Werkzeug kann verschiedene Kombinationen verschiedener Beschichtungsmaterialien (wie Metall/Metall, Metall/Keramik, Keramik/Keramik usw.) verwenden, um unterschiedliche Funktions- und Leistungsanforderungen zu erfüllen. Sinnvoll konzipierte Nanobeschichtungen können Werkzeugmaterialien mit hervorragenden Reibungs- und Verschleißschutzfunktionen sowie selbstschmierenden Eigenschaften versehen, die für Hochgeschwindigkeits-Trockenschnitte geeignet sind.
(2) Eigenschaften beschichteter Werkzeuge
Die Leistungsmerkmale beschichteter Werkzeuge sind wie folgt:
① Gute mechanische und Schneidleistung: Beschichtete Werkzeuge kombinieren die hervorragenden Eigenschaften des Grundmaterials und des Beschichtungsmaterials, wobei die gute Zähigkeit und hohe Festigkeit des Grundmaterials erhalten bleiben und gleichzeitig die hohe Härte, hohe Verschleißfestigkeit und der niedrige Reibungskoeffizient der Beschichtung vorhanden sind. Daher kann die Schnittgeschwindigkeit beschichteter Werkzeuge im Vergleich zu unbeschichteten Werkzeugen um mehr als das Zweifache erhöht werden, und es ist eine höhere Vorschubgeschwindigkeit möglich. Die Lebensdauer beschichteter Werkzeuge wird ebenfalls verbessert.
② Starke Vielseitigkeit: Beschichtete Werkzeuge sind vielseitig einsetzbar und erweitern den Verarbeitungsbereich erheblich. Ein beschichtetes Werkzeug kann mehrere unbeschichtete Werkzeuge ersetzen.
③ Beschichtungsdicke: Die Lebensdauer des Werkzeugs erhöht sich mit zunehmender Beschichtungsdicke, aber wenn die Beschichtungsdicke die Sättigung erreicht, erhöht sich die Lebensdauer des Werkzeugs nicht mehr signifikant. Wenn die Beschichtung zu dick ist, kann sie leicht abblättern; wenn die Beschichtung zu dünn ist, ist die Verschleißfestigkeit gering.
④ Nachschleifen: Das Nachschleifen beschichteter Klingen ist schlecht, die Beschichtungsanlage ist komplex, die Prozessanforderungen sind hoch und die Beschichtungszeit ist lang.
⑤ Beschichtungsmaterial: Werkzeuge mit unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien haben unterschiedliche Schneidleistungen. Beispiel: Eine TiC-Beschichtung ist beim langsamen Schneiden von Vorteil; TiN eignet sich besser zum schnellen Schneiden.
(3) Einsatz beschichteter Werkzeuge
Beschichtete Werkzeuge haben im Bereich der CNC-Bearbeitung großes Potenzial und werden in Zukunft der wichtigste Werkzeugtyp im Bereich der CNC-Bearbeitung sein. Die Beschichtungstechnologie wurde bei Schaftfräsern, Reibahlen, Bohrern, Werkzeugen zur Bearbeitung von Verbundlöchern, Wälzfräsern, Zahnradformfräsern, Zahnradschabern, Formräumnadeln und verschiedenen maschinenmontierten Wendeschneidplatten angewendet, um den Anforderungen des Hochgeschwindigkeitsschneidens verschiedener Stähle und Gusseisen, hitzebeständiger Legierungen und Nichteisenmetalle gerecht zu werden.
5. Arten, Eigenschaften, Merkmale und Anwendungen von Hartmetall-Werkzeugmaterialien
Hartmetallwerkzeuge, insbesondere Wendeplatten aus Hartmetall, sind die führenden Produkte der CNC-Bearbeitungswerkzeuge. Seit den 1980er Jahren wurden verschiedene Arten von integrierten und Wendeplatten aus Hartmetall oder Klingen auf verschiedene Schneidwerkzeugbereiche ausgeweitet. Unter ihnen wurden Wendeplatten aus Hartmetall von einfachen Drehwerkzeugen und Planfräsern auf verschiedene Bereiche der Präzisions-, Komplex- und Formwerkzeuge ausgeweitet.
(1) Arten von Hartmetallwerkzeugen
Nach seiner hauptsächlichen chemischen Zusammensetzung kann Hartmetall in Hartmetall auf Wolframkarbidbasis und Hartmetall auf Titankarbid(nitrid)-Basis (TiC(N)) unterteilt werden.
Hartmetall auf Wolframkarbidbasis gibt es in drei Typen: Wolfram-Kobalt-Typ (YG), Wolfram-Kobalt-Titan-Typ (YT) und Typ mit seltenem Karbidzusatz (YW). Jeder von ihnen hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Die Hauptbestandteile sind Wolframkarbid (WC), Titankarbid (TiC), Tantalkarbid (TaC), Niobkarbid (NbC) usw. Die üblicherweise verwendete Metallbindungsphase ist Co.
Hartmetall auf der Basis von Titankarbid (-nitrid) ist ein Hartmetall mit TiC als Hauptbestandteil (einigen sind andere Karbide oder Nitride hinzugefügt); die üblicherweise verwendeten Metallbindungsphasen sind Mo und Ni.
Die ISO (Internationale Organisation für Normung) unterteilt das Schneiden von Hartmetall in drei Kategorien:
K-Kategorie, einschließlich Kl0~K40, entspricht der YG-Kategorie meines Landes (die Hauptkomponente ist WC-Co).
P-Kategorie, einschließlich P01~P50, entspricht der YT-Kategorie meines Landes (die Hauptkomponente ist WC-TiC-Co).
M-Kategorie, einschließlich M10~M40, entspricht der YW-Kategorie meines Landes (der Hauptbestandteil ist WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Jede Marke wird durch eine Nummer zwischen 01 und 50 dargestellt und steht für eine Reihe von Legierungen von hoher Härte bis maximaler Zähigkeit.
(2) Leistungsmerkmale von Hartmetallwerkzeugen
Die Leistungsmerkmale von Hartmetallwerkzeugen sind wie folgt:
① Hohe Härte: Hartmetallwerkzeuge werden durch Pulvermetallurgie aus Carbiden (Hartphase genannt) mit hoher Härte und hohem Schmelzpunkt und einem Metallbinder (Bindephase genannt) hergestellt. Ihre Härte erreicht 89-93HRA, was viel höher ist als bei Schnellarbeitsstahl. Bei 5400 Grad kann die Härte immer noch 82-87HRA erreichen, was der Härte von Schnellarbeitsstahl bei Raumtemperatur (83-86HRA) entspricht. Der Härtewert von Hartmetall variiert mit der Art, Menge, Partikelgröße und dem Gehalt der Metallbindephase der Carbide und nimmt im Allgemeinen mit zunehmendem Gehalt der Bindemetallphase ab. Bei gleichem Gehalt der Bindephase ist die Härte der YT-Legierung höher als die der YG-Legierung, und die Legierung mit zugesetztem TaC (NbC) weist eine höhere Hochtemperaturhärte auf.
② Biegefestigkeit und Zähigkeit: Die Biegefestigkeit von häufig verwendetem Hartmetall liegt im Bereich von 900-1500MPa. Je höher der Gehalt an Metallbindungsphase ist, desto höher ist die Biegefestigkeit. Bei gleichem Bindemittelgehalt ist die Festigkeit der Legierung vom Typ YG (WC-Co) höher als die der Legierung vom Typ YT (WC-TiC-Co), und die Festigkeit nimmt mit zunehmendem TiC-Gehalt ab. Hartmetall ist ein sprödes Material und seine Schlagzähigkeit bei Raumtemperatur beträgt nur 1/30 bis 1/8 der von Schnellarbeitsstahl.
(3) Anwendung häufig verwendeter Hartmetallwerkzeuge
Legierungen vom Typ YG werden hauptsächlich zur Verarbeitung von Gusseisen, Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Werkstoffen verwendet. Feinkörniges Hartmetall (wie YG3X, YG6X) weist bei gleichem Kobaltgehalt eine höhere Härte und Verschleißfestigkeit auf als mittelkörniges Hartmetall. Es eignet sich zur Verarbeitung einiger spezieller Hartgusseisen, austenitischem Edelstahl, hitzebeständiger Legierungen, Titanlegierungen, harter Bronze und verschleißfester Isoliermaterialien.
Die herausragenden Vorteile von Hartmetall vom Typ YT sind hohe Härte, gute Hitzebeständigkeit, höhere Härte und Druckfestigkeit bei hohen Temperaturen als beim Typ YG sowie gute Oxidationsbeständigkeit. Wenn das Werkzeug eine höhere Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen muss, sollte daher eine Sorte mit höherem TiC-Gehalt gewählt werden. YT-Legierungen eignen sich für die Verarbeitung von Kunststoffmaterialien wie Stahl, jedoch nicht für die Verarbeitung von Titanlegierungen und Silizium-Aluminium-Legierungen.
YW-Legierungen haben die Eigenschaften sowohl von YG- als auch von YT-Legierungen und verfügen über gute Gesamteigenschaften. Sie können zur Bearbeitung von Stahl, Gusseisen und Nichteisenmetallen verwendet werden. Wenn der Kobaltgehalt dieser Art von Legierung entsprechend erhöht wird, kann die Festigkeit sehr hoch sein und für die Grobbearbeitung und das intermittierende Schneiden verschiedener schwer zu bearbeitender Materialien verwendet werden.
6. Arten, Eigenschaften und Anwendungen von Schnellarbeitsstahlwerkzeugen
Schnellarbeitsstahl (HSS) ist ein hochlegierter Werkzeugstahl mit einer großen Menge an Legierungselementen wie W, Mo, Cr und V. Schnellarbeitsstahlwerkzeuge weisen eine hervorragende Gesamtleistung in Bezug auf Festigkeit, Zähigkeit und Verarbeitbarkeit auf. Schnellarbeitsstahl nimmt bei komplexen Werkzeugen nach wie vor eine wichtige Stellung ein, insbesondere bei der Herstellung von Lochbearbeitungswerkzeugen, Fräsern, Gewindewerkzeugen, Räumnadeln, Zahnradwerkzeugen und anderen Werkzeugen mit komplexen Klingenformen. Die Schneide von Schnellarbeitsstahlwerkzeugen lässt sich leicht schärfen.
Je nach Verwendungszweck kann Schnellarbeitsstahl in Allzweck-Schnellarbeitsstahl und Hochleistungs-Schnellarbeitsstahl unterteilt werden.
(1) Allzweck-Schnellarbeitsstahlwerkzeuge
Allzweck-Schnellarbeitsstahl. Im Allgemeinen kann er in zwei Kategorien unterteilt werden: Wolframstahl und Wolfram-Molybdän-Stahl. Diese Art von Schnellarbeitsstahl enthält 0,7 % bis 0,9 % Wolfram. Je nach dem unterschiedlichen Wolframgehalt im Stahl kann er in Wolframstahl mit 12 % oder 18 % W, Wolfram-Molybdän-Stahl mit 6 % oder 8 % W und Molybdänstahl mit 2 % oder keinem W unterteilt werden. Allzweck-Schnellarbeitsstahl hat eine gewisse Härte (63-66HRC) und Verschleißfestigkeit, hohe Festigkeit und Zähigkeit, gute Plastizität und Verarbeitungstechnologie, sodass er häufig bei der Herstellung verschiedener komplexer Werkzeuge verwendet wird.
① Wolframstahl: Die typische Qualität von Wolframstahl für allgemeine Zwecke ist W18Cr4V (abgekürzt W18), der eine gute Gesamtleistung aufweist. Die Hochtemperaturhärte bei 6000 Grad beträgt 48,5 HRC, was zur Herstellung verschiedener komplexer Werkzeuge verwendet werden kann. Es hat die Vorteile einer guten Schleifbarkeit und geringen Entkohlungsempfindlichkeit, weist jedoch aufgrund des hohen Karbidgehalts, der ungleichmäßigen Verteilung, der großen Partikel, der geringen Festigkeit und Zähigkeit eine geringe Festigkeit auf.
② Wolfram-Molybdän-Stahl: bezeichnet einen Schnellarbeitsstahl, der durch Ersetzen eines Teils des Wolframs in Wolframstahl durch Molybdän gewonnen wird. Die typische Qualität von Wolfram-Molybdän-Stahl ist W6Mo5Cr4V2 (abgekürzt als M2). Die Karbidpartikel von M2 sind fein und gleichmäßig und seine Festigkeit, Zähigkeit und Hochtemperaturplastizität sind besser als bei W18Cr4V. Ein weiterer Wolfram-Molybdän-Stahl ist W9Mo3Cr4V (abgekürzt als W9), der eine etwas höhere thermische Stabilität als M2-Stahl, eine bessere Biegefestigkeit und Zähigkeit als W6M05Cr4V2 und eine gute Bearbeitbarkeit aufweist.
(2) Hochleistungs-Schnellarbeitsstahlwerkzeuge
Hochleistungsschnellarbeitsstahl ist eine neue Stahlsorte, die der allgemeinen Schnellarbeitsstahlzusammensetzung Kohlenstoff, Vanadium und Legierungselemente wie Co und Al hinzufügt, wodurch seine Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit verbessert werden. Es gibt hauptsächlich die folgenden Kategorien:
① Kohlenstoffreicher Schnellarbeitsstahl. Kohlenstoffreicher Schnellarbeitsstahl (wie 95W18Cr4V) weist bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen eine hohe Härte auf. Er eignet sich zur Herstellung von Werkzeugen zur Bearbeitung von normalem Stahl und Gusseisen, Bohrern, Reibahlen, Gewindebohrern und Fräsern mit hohen Anforderungen an die Verschleißfestigkeit oder zur Bearbeitung härterer Materialien. Er ist nicht für große Stöße geeignet.
② Hochvanadiumhaltiger Schnellarbeitsstahl. Typische Sorten wie W12Cr4V4Mo (abgekürzt EV4) enthalten 3 bis 5 % V, weisen eine gute Verschleißfestigkeit auf und eignen sich zum Schneiden von Materialien, die extrem verschleißanfällig für Werkzeuge sind, wie Fasern, Hartgummi, Kunststoff usw. Sie können auch zum Bearbeiten von rostfreiem Stahl, hochfestem Stahl und Hochtemperaturlegierungen verwendet werden.
③ Kobalt-Schnellarbeitsstahl. Es handelt sich um einen kobalthaltigen, superharten Schnellarbeitsstahl. Typische Sorten wie W2Mo9Cr4VCo8 (abgekürzt als M42) haben eine hohe Härte und können 69 bis 70 HRC erreichen. Es eignet sich für die Bearbeitung schwer zu bearbeitender Materialien wie hochfester hitzebeständiger Stahl, Hochtemperaturlegierungen, Titanlegierungen usw. M42 hat eine gute Schleifbarkeit und eignet sich für die Herstellung präziser und komplexer Werkzeuge, ist jedoch nicht für Arbeiten unter Schlagschneidbedingungen geeignet.
④ Aluminium-Schnellarbeitsstahl. Es handelt sich um einen aluminiumhaltigen, superharten Schnellarbeitsstahl. Typische Sorten sind W6Mo5Cr4V2Al (abgekürzt 501). Seine Hochtemperaturhärte bei 6000 Grad erreicht ebenfalls 54HRC. Seine Schneidleistung entspricht M42. Er eignet sich zur Herstellung von Fräsern, Bohrern, Reibahlen, Zahnradfräsern, Räumnadeln usw. Er wird zur Bearbeitung von legiertem Stahl, rostfreiem Stahl, hochfestem Stahl und Hochtemperaturlegierungen verwendet.
⑤ Stickstoffhaltiger, superharter Schnellarbeitsstahl. Typische Sorten sind W12M03Cr4V3N (abgekürzt als (V3N). Es handelt sich um einen stickstoffhaltigen, superharten Schnellarbeitsstahl. Seine Härte, Festigkeit und Zähigkeit entsprechen denen von M42. Er kann als Ersatz für kobalthaltigen Schnellarbeitsstahl verwendet werden und wird zum langsamen Schneiden schwer zu verarbeitender Materialien und zur langsamen, hochpräzisen Verarbeitung verwendet.
(3) Schmelzen von Schnellarbeitsstahl und pulvermetallurgischer Schnellarbeitsstahl
Je nach Herstellungsverfahren kann Schnellarbeitsstahl in schmelzflüssigen Schnellarbeitsstahl und pulvermetallurgischen Schnellarbeitsstahl unterteilt werden.
① Schmelzen von Schnellarbeitsstahl: Sowohl gewöhnlicher Schnellarbeitsstahl als auch Hochleistungs-Schnellarbeitsstahl werden durch Schmelzverfahren hergestellt. Sie werden durch Prozesse wie Schmelzen, Barrengießen und Plattieren und Walzen zu Schneidwerkzeugen verarbeitet. Ein ernstes Problem, das beim Schmelzen von Schnellarbeitsstahl leicht auftritt, ist die Karbidseigerung. Harte und spröde Carbide sind im Schnellarbeitsstahl ungleichmäßig verteilt und die Körner sind grob (bis zu einigen zehn Mikrometern), was sich nachteilig auf die Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und Schneidleistung von Schnellarbeitsstahlwerkzeugen auswirkt.
② Pulvermetallurgischer Schnellarbeitsstahl (PM HSS): Pulvermetallurgischer Schnellarbeitsstahl (PM HSS) ist eine Stahlflüssigkeit, die in einem Hochfrequenz-Induktionsofen geschmolzen, mit Argon oder reinem Stickstoff unter hohem Druck zerstäubt und dann schnell abgekühlt wird, um eine feine und gleichmäßige Kristallstruktur (Schnellarbeitsstahlpulver) zu erhalten. Das resultierende Pulver wird dann unter hoher Temperatur und hohem Druck zu einem Messerrohling gepresst oder zuerst zu einem Stahlrohling verarbeitet und dann geschmiedet und in eine Werkzeugform gerollt. Im Vergleich zu im Schmelzverfahren hergestelltem Schnellarbeitsstahl hat PM HSS die Vorteile feiner und gleichmäßiger Hartmetallkörner und eine viel höhere Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit als geschmolzener Schnellarbeitsstahl. Im Bereich komplexer CNC-Werkzeuge werden sich PM HSS-Werkzeuge weiterentwickeln und eine wichtige Position einnehmen. Typische Güten wie F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN usw. können zur Herstellung großer, hochbelasteter und schlagfester Schneidwerkzeuge und auch zur Herstellung von Präzisionsschneidwerkzeugen verwendet werden.
Grundsätze für die Auswahl von CNC-Werkzeugmaterialien
Derzeit umfassen die weit verbreiteten CNC-Werkzeugmaterialien hauptsächlich Diamantwerkzeuge, Werkzeuge aus kubischem Bornitrid, Keramikwerkzeuge, beschichtete Werkzeuge, Hartmetallwerkzeuge und Schnellarbeitsstahlwerkzeuge. Es gibt viele Sorten von Werkzeugmaterialien und ihre Leistung variiert stark. Die wichtigsten Leistungsindikatoren verschiedener Werkzeugmaterialien sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Werkzeugmaterialien für die CNC-Bearbeitung müssen entsprechend dem zu bearbeitenden Werkstück und der Art der Bearbeitung ausgewählt werden. Die Auswahl der Werkzeugmaterialien sollte angemessen auf das Bearbeitungsobjekt abgestimmt sein. Die Abstimmung von Schneidwerkzeugmaterialien und Bearbeitungsobjekten bezieht sich hauptsächlich auf die Abstimmung der mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften der beiden, um die längste Werkzeuglebensdauer und die maximale Schneidproduktivität zu erzielen.
1. Abstimmung der mechanischen Eigenschaften von Schneidstoffen und Bearbeitungsobjekten
Das Problem der Anpassung der mechanischen Eigenschaften von Schneidwerkzeugen und Bearbeitungsobjekten bezieht sich hauptsächlich auf die Anpassung der mechanischen Eigenschaftsparameter wie Festigkeit, Zähigkeit und Härte von Werkzeug- und Werkstückmaterialien. Werkzeugmaterialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften eignen sich für die Bearbeitung unterschiedlicher Werkstückmaterialien.
① The order of tool material hardness is: diamond tool> cubic boron nitride tool> ceramic tool> cemented carbide>Schnellarbeitsstahl.
② The order of bending strength of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide> ceramic tool>Werkzeug aus Diamant und kubischem Bornitrid.
③ The order of toughness of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide>Werkzeug aus kubischem Bornitrid, Diamant und Keramik.
Werkstückmaterialien mit hoher Härte müssen mit Werkzeugen mit höherer Härte bearbeitet werden. Die Härte des Werkzeugmaterials muss höher sein als die des Werkstückmaterials und muss im Allgemeinen über 60 HRC liegen. Je höher die Härte des Werkzeugmaterials ist, desto besser ist seine Verschleißfestigkeit. Wenn beispielsweise der Kobaltgehalt in Hartmetall zunimmt, nehmen seine Festigkeit und Zähigkeit zu und seine Härte nimmt ab, was für die Grobbearbeitung geeignet ist; wenn der Kobaltgehalt abnimmt, nehmen seine Härte und Verschleißfestigkeit zu, was für die Feinbearbeitung geeignet ist.
Werkzeuge mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen eignen sich besonders gut für das Hochgeschwindigkeitsschneiden. Die hervorragende Leistungsfähigkeit von Keramikwerkzeugen bei hohen Temperaturen ermöglicht das Schneiden bei hohen Geschwindigkeiten. Im Vergleich zu Hartmetall kann die zulässige Schnittgeschwindigkeit um das Zwei- bis Zehnfache erhöht werden.
2. Abstimmung der physikalischen Eigenschaften von Schneidstoffen auf die zu verarbeitenden Objekte
Werkzeuge mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, wie z. B. Schnellarbeitsstahlwerkzeuge mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedrigem Schmelzpunkt, Keramikwerkzeuge mit hohem Schmelzpunkt und geringer Wärmeausdehnung, Diamantwerkzeuge mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer Wärmeausdehnung usw., eignen sich zur Bearbeitung unterschiedlicher Werkstückmaterialien. Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit schlechter Wärmeleitfähigkeit sollten Werkzeugmaterialien mit besserer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, damit die Schnittwärme schnell übertragen und die Schnitttemperatur gesenkt werden kann. Diamant hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung, sodass die Schnittwärme leicht abgeleitet werden kann, ohne große thermische Verformungen zu verursachen, was insbesondere für Präzisionsbearbeitungswerkzeuge mit hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit wichtig ist.
① Hitzebeständigkeitstemperatur verschiedener Werkzeugmaterialien: 700-8000 Grad für Diamantwerkzeuge, 13000-15000 Grad für PCBN-Werkzeuge, 1100-12000 Grad für Keramikwerkzeuge, 900-11000 Grad für Hartmetall auf TiC(N)-Basis, 800-9000 Grad für ultrafeinkörniges Hartmetall auf WC-Basis und 600-7000 Grad für HSS.
② The order of thermal conductivity of various tool materials: PCD>PCBN>WC-based cemented carbide>TiC(N)-based cemented carbide>HSS>Si3N4-based ceramics>Keramik auf Al2O3--Basis.
③The thermal expansion coefficients of various tool materials are in the following order: HSS>WC-based carbide>TiC(N)>Al2O3-based ceramics>PCBN>Si3N4-based ceramics>PKD.
④The thermal shock resistance of various tool materials is in the following order: HSS>WC-based carbide>Si3N4-based ceramics>PCBN>PCD>TiC(N)-based carbide>Keramik auf Al2O3--Basis.
3. Chemische Leistungsanpassung von Schneidstoff und Bearbeitungsobjekt
Das Problem der chemischen Leistungsanpassung von Schneidwerkzeugmaterialien und Verarbeitungsobjekten bezieht sich hauptsächlich auf die chemischen Leistungsparameter wie chemische Affinität, chemische Reaktion, Diffusion und Auflösung von Werkzeugmaterialien und Werkstückmaterialien. Werkzeuge aus unterschiedlichen Materialien eignen sich für die Verarbeitung unterschiedlicher Werkstückmaterialien.
①The anti-adhesion temperature of various tool materials (with steel) is: PCBN>ceramics>carbide>HSS.
②The anti-oxidation temperature of various tool materials is: ceramics>PCBN>carbide>diamond>HSS.
③ The diffusion strength of various tool materials (for steel) is: diamond>Si3N4-based ceramics>PCBN>Al2O3-based ceramics. The diffusion strength (for titanium) is: Al2O3-based ceramics>PCBN>SiC>Si3N4>Diamant.
4. Angemessene Auswahl von CNC-Werkzeugmaterialien
Im Allgemeinen eignen sich PCBN, Keramikwerkzeuge, beschichtetes Hartmetall und Hartmetallwerkzeuge auf TiCN-Basis für die CNC-Bearbeitung von Eisenmetallen wie Stahl; während PCD-Werkzeuge für die Bearbeitung von Nichteisenmetallmaterialien wie Al, Mg, Cu und deren Legierungen sowie nichtmetallischen Materialien geeignet sind. Die folgende Tabelle zeigt einige Werkstückmaterialien, die für die Bearbeitung mit verschiedenen Werkzeugmaterialien geeignet sind.