Керамический режущий инструмент

Керамический режущий инструмент: если сталь не справляется, а твердый сплав излишне нагревается

Во-первых, за два десятка лет занятий производственной деятельностью мне довелось увидеть многое: от быстро разваливающейся Р6М5 уже на стартовом этапе обработки, до алмазных изделий, обеспечивающих зеркальный финиш режущей грани. Действительно, особый вид оснастки способен по-настоящему спасти, если большой объем материала требуется оперативно убрать, не беспокоясь о системе охлаждения – им, несомненно, выступает керамика. В частности, мной, помнится, наблюдалась ситуация, когда однажды в "Беларуськалий" поступила заявка на токарную доводку осевых деталей из жаропрочного чугуна ЧХ22Н2М – сырье это, безусловно, весьма прихотливое, пластичное, с абразивными включениями. Увы, твердосплавные пластины Sandvik Coromant GC4225 стремительно выходили из строя, всего за 3-5 минут, при этом на рабочей плоскости ими образовывался налет и микросколы. При этом, подача была совсем незначительной, а скорость резания, несомненно, крайне низкой. Разумеется, сроки стали критичными, и руководство, безусловно, испытывало беспокойство. Вот тогда-то, по всей видимости, и пришла мысль о задействовании керамики. Как только пластины Iscar IS8 были установлены, картина, безусловно, кардинально изменилась. В результате, объем удаляемого металла увеличился втрое, а ресурс оснастки – в 8-10 раз. Итак, сегодня об этом, о керамике, ее потенциале и скрытых нюансах, несомненно, и пойдет речь.

Почему керамика, или когда обычные твердые сплавы сдают позиции

Наш цех, к слову, как-то раз получил довольно крупный заказ на выполнение токарной обработки колец из стали 40ХН2МА, закаленной до 58-62 HRC. Ранее нами это действие производилось абразивным кругом, но требовались как более высокая производительность, так и лучшая шероховатость Ra 0.8. Попытка фрезеровать с использованием твердосплавных фрез Dormer Pramet ADMX, к сожалению, показала ресурс всего в 2-3 обрабатываемые детали, а еще вылет оснастки на длинных оправках, безусловно, вел к вибрациям и образованию "волны" на поверхности. Пришлось, само собой, искать другую альтернативу. Керамика, в отличие от простых твердых сплавов, обладает целым рядом уникальных характеристик. Во-первых, ей свойственна колоссальная твердость при повышенных температурах – до 1200-1400 °C, что, безусловно, даёт возможность вести резание на скоростях, от которых стандартный твердый сплав просто "потечет", полностью утратив режущие свойства. Во-вторых, химическая инертность присуща керамике: она меньше вступает в реакцию с обрабатываемым материалом, уменьшая итого образование наростов и адгезионный износ. Ну и, конечно же, наблюдается высокая абразивная стойкость. Все это вместе даёт возможность достигать существенно более высокой продуктивности при доводке труднообрабатываемых материалов.

Оксидная керамика: проверенная временем технология и ее лимиты

Оксидная керамика (Al2O3), без сомнения, по сути, считается прародителем всей керамической оснастки. Представьте себе: как-то раз на наш участок была привезена партия отлитых изделий из износостойкого чугуна ЧХ16М2 – нужно было снять припуск 4-5 мм с внутренней поверхности. Сырье было абразивным, с вкраплениями карбидов, да к тому же имелось прерывистое резание. Сначала, помнится, пробовались пластины Mitsubishi CNMG120408 с покрытием PVD. Они, хотя и держались, но режущая кромка довольно быстро выкрашивалась, и инструмент приходилось менять каждые 2-3 детали. А ведь, заметим, одна пластина денег стоит! Тогда мной было предложено попробовать оксидную керамику. Белая оксидная керамика Sandvik Coromant CC6060 была взята нами. Главный ее плюс – это, безусловно, высокая твердость и химическая стабильность при очень высоких скоростях резания – до 800-1500 м/мин по чугунам и до 300-600 м/мин по закаленным сталям. Но, само собой, имеются и недостатки. Оксидная керамика крайне хрупка. Стоит лишь немного упустить контроль над подачей или столкнуться с крупным включением, как пластина, вероятно, крошится. Ударные нагрузки ею абсолютно не переносятся. Мы, например, как-то раз пытались ею обтачивать валы с заметной раковиной – пластина разлетелась сразу же на первой канавке. Именно поэтому для прерывистого резания или обработки с неровной поверхностью данный тип не подходит. И еще: теплопроводность у нее довольно низкая, поэтому при неправильно выбранном режиме, вероятно, возникнет термический шок и растрескивание кромки. Важно, безусловно, работать с постоянным, равномерным удалением материала.

Практический совет: При работе с оксидной керамикой, непременно, всегда задействуйте жесткое закрепление инструмента, сводите к минимуму вылет и обязательно проверяйте отсутствие биения. Угол в плане должен быть как можно более значительным, чтобы нагрузка распределялась по большей длине режущей кромки. Оптимальные режимы: f = 0.05-0.2 мм/об, ap = 0.1-0.5 мм, Vc = 300-1500 м/мин (это, конечно, зависит от обрабатываемого сырья).

Нитридная керамика Si3N4: когда прочность и устойчивость нужны

Однажды, например, к нам поступил заказ на обработку турбинных лопаток, изготовленных из жаропрочного сплава Inconel 718, с твердостью 40-42 HRC. Этот материал, как известно, весьма вязкий, с предрасположенностью к налипанию и упрочнению. Обычные твердосплавные пластины, даже те, что с самым современным покрытием (подобно Walter WKK25S), давали ресурс всего в 1-2 лопатки, а стружка, при этом, наматывалась на инструмент, создавая наросты и вызывая выкрашивание кромки. Скорость резания находилась на пределе, а подача, конечно же, была ничтожной. Тогда мной было предложено апробировать нитридную керамику на базе Si3N4. Пластины Kennametal KBN525 были нами задействованы. И вот тут-то, по сути, и началось самое интересное. Нитридная керамика, бесспорно, значительно прочнее оксидной, она также демонстрирует лучшую трещиностойкость и теплопроводность. Это, в свою очередь, даёт ей возможность справляться с ударными нагрузками и функционировать на более высоких подачах (до 0.8-1.0 мм/об) и глубинах резания (до 4-6 мм). Нами скорость резания была увеличена до 150-250 м/мин, и продуктивность выросла в четыре раза. Ресурс инструмента достиг 10-15 лопаток. Но, стоит сказать, имеется один нюанс: при очень высоких скоростях нитридная керамика, вероятно, может быть подвержена химическому износу при работе с некоторыми материалами, в особенности при обработке закаленных сталей. Кроме того, ее абразивная устойчивость незначительно ниже, нежели у оксидной. Еще один неприятный случай, к слову, произошел, когда оператор забыл активировать подачу СОЖ при обработке жаропрочного материала, и пластина перегрелась. Мгновенного разрушения не случилось, однако, она утратила свою твердость и, разумеется, быстро затупилась. Нитридная керамика, хоть и выдерживает больше, чем оксидная, но также, несомненно, не любит сильных температурных ударов.

Практический совет: Нитридная керамика отлично себя проявляет при обработке жаропрочных сплавов, серого и высокопрочного чугуна, в особенности если присутствует прерывистое резание. Если это возможно, задействуйте СОЖ для эффективного отвода тепла и предотвращения налипания стружки. Рекомендуемые скорости резания: Vc = 100-300 м/мин (для жаропрочных сплавов), 300-1000 м/мин (для чугунов).

SiAlON керамика: универсальный рабочий инструмент для чугуна и жаропрочных материалов

На одном из участков нашего производства стояла задача по фрезерованию гильз из серого чугуна СЧ20, имеющих довольно толстую корку литья и припуск до 8 мм. Обычные твердосплавные фрезы (например, Walter F4042) работали, однако их ресурс был нестабилен – варьировался от 30 до 50 деталей, а качество поверхности порой страдало из-за выкрашивания кромок. И тут, безусловно, возникла идея опробовать SiAlON. SiAlON, по своей сути, — это нитридная керамика, обогащенная алюминием и кислородом, что, к слову, даёт ей улучшенные свойства. Она, бесспорно, сочетает в себе выдающуюся прочность нитридной керамики и повышенную химическую стабильность, характерную для оксидной. Это, следовательно, делает ее совершенным выбором для обработки широкого спектра различных чугунов (серого, высокопрочного, отбеленного) и жаропрочных сплавов. Нами были установлены пластины Kennametal KBN650 (это, кстати, SiAlON) на торцевую фрезу, и был получен потрясающий результат: ресурс вырос до 150-200 гильз, а качество поверхности стало стабильно превосходным. Удары, возникающие от корки, SiAlON, несомненно, переносил уверенно. Еще один прецедент: на токарном станке велась обработка закаленных валиков из стали 9ХС (55-58 HRC). Оксидная керамика "сыпалась", а SiAlON от Iscar (тип IC50M), в свою очередь, показал себя отлично, проработав в 2-3 раза дольше оксидного аналога и обеспечив более стабильные размеры. Единственное, что нужно всегда принимать во внимание – SiAlON дороже стандартной нитридной или оксидной керамики, поэтому его использование должно быть обосновано с экономической точки зрения. А вот однажды оператор попытался обработать им низкоуглеродистую сталь – нержавейку 08Х18Н10Т. SiAlON, конечно, резал, но слишком много материала прилипало к кромке, и износ наблюдался повышенный. Все-таки для нержавейки и мягких марок стали существуют, безусловно, иные, более подходящие инструменты.

Практический совет: SiAlON превосходно подходит для проведения черновой и получистовой обработки чугунов и жаропрочных сплавов, особенно при наличии прерывистого резания или меняющегося припуска. По возможности, задействуйте положительные геометрии для снижения усилий резания. Vc = 200-800 м/мин, f = 0.2-0.8 мм/об, ap = 1-5 мм.

Смешанная керамика: равновесие между прочностью и твердостью

На заводе КАМАЗ, где я ранее трудился, имелась задача по токарной обработке чугунных блоков цилиндров из СЧ30 после проведения отжига. Нужно было удалить значительный припуск, при этом требовалась высокая производительность. Оксидная керамика быстро выкрашивалась вследствие неоднородности обрабатываемого материала, а твердый сплав не давал нужной скорости. Тогда нами была опробована смешанная керамика. Это, безусловно, комбинация оксида алюминия с карбидными или нитридными фазами (например, TiC, ZrO2, TiN). Добавление таких фаз даёт увеличение прочности и трещиностойкости керамического материала, при этом высокая твердость и химическая стабильность, конечно же, сохраняются. Нами задействовались пластины Sandvik Coromant CC6065 (именно этот тип относится к смешанной керамике). Что же в итоге? Производительность увеличилась на 40%, а ресурс пластин, безусловно, возрос в 1.5-2 раза по сравнению с чистой оксидной керамикой. Смешанная керамика хорошо проявляет себя при доводке закаленных сталей, чугунов и определенных жаропрочных сплавов, где нужен баланс между ударной вязкостью и стойкостью к износу. Она, бесспорно, менее хрупкая, чем чистая оксидная керамика, и может использоваться с более высокими подачами. Но имеются, конечно, и минусы. Ее твердость при крайне высоких температурах слегка ниже, чем у чистой оксидной, а прочность, безусловно, уступает нитридной. Однажды мы пытались обрабатывать смешанной керамикой чугунное литье с очень твердой коркой, и пластина достаточно быстро вышла из строя по причине абразивного износа. Для таких условий, безусловно, более подходящей была бы SiAlON.

Практический совет: Смешанная керамика, несомненно, – это отличный выбор для получистовой и чистовой обработки закаленных сталей (до 65 HRC) и чугунов, в особенности при условии стабильного резания. Для уменьшения сил резания и улучшения стружколомания используйте острые геометрии. Vc = 300-1200 м/мин, f = 0.1-0.4 мм/об, ap = 0.2-2 мм.

Керамика с покрытием: когда сопротивляемость износу выходит на иной уровень

На одном из наших участков, к слову, велась чистовая доводка валов, изготовленных из закаленной стали 50ХГ (60 HRC). Допуск на диаметр был довольно жесткий, ±0.015 мм, а требуемая шероховатость составляла Ra 0.4. Чистая керамика давала хороший ресурс, но иногда на режущей кромке наблюдались микровыкрашивания, особенно в момент выхода инструмента из зоны резания. Это, бесспорно, требовало частой смены пластин, чтобы не повредить обрабатываемую деталь. Решением этой проблемы стала керамика, имеющая покрытие. Сегодня, безусловно, ведущие производители, такие как Kennametal, Iscar, Mitsubishi, предлагают керамические пластины, оснащенные PVD или CVD покрытиями. Эти покрытия (TiN, Al2O3, TiAlN), по сути, значительно увеличивают износостойкость оснастки, снижают трение и предотвращают адгезию обрабатываемого материала к режущей кромке. К примеру, Kennametal KYS40 – это нитридная керамика с многослойным покрытием, которое даёт увеличение ее стойкости при доводке жаропрочных сплавов в 1.5-2 раза. На наших валах нами была задействована оксидная керамика с CVD покрытием Al2O3 от Mitsubishi (например, AS400). Ресурс пластины возрос на 30-40%, а качество поверхности, к слову, стало идеально стабильным. Покрытие, бесспорно, защищает режущую кромку от микровыкрашиваний и улучшает процесс отвода стружки. Однако, покрытие обладает своей толщиной, и при значительных глубинах резания или работе с весьма абразивными материалами оно, возможно, быстро истирается, и тогда в работу включается базовая керамика. Также следует помнить, что покрытия, несомненно, могут быть восприимчивы к термическому шоку, поэтому резкие температурные перепады крайне нежелательны.

Практический совет: Керамика с покрытием, безусловно, – это оптимальный вариант для чистовой и получистовой обработки, где востребована высокая точность, стабильный ресурс и превосходное качество поверхности. Подбирайте покрытие, конечно же, исходя из свойств обрабатываемого материала. Для закаленных сталей — Al2O3, для жаропрочных – TiAlN. Vc, f, ap подбираются, естественно, индивидуально, но обычно они на 10-20% выше, чем для керамики без покрытия.

Практические рекомендации из цеха: как избежать распространенных ошибок

Работая с керамикой, мной, признаться, повидано немало случаев, когда весьма дорогостоящий инструмент попросту выбрасывался из-за неосмотрительности или недостатка знаний. Вот вам несколько, безусловно, проверенных советов:

1. Жесткость системы СПИД: Это, безусловно, основополагающий принцип. Если ваш станок имеет люфты, оправка "гуляет", а крепление обрабатываемой детали недостаточно прочно – о керамике, пожалуй, забудьте. Угол в 90 градусов на токарном станке, вылет резца должен быть не более 1.5-2 диаметров державки. При фрезеровании – минимальный вылет фрезы из шпинделя. Наш токарь, например, как-то установил пластину Walter WFN250 на старый ИЖ-250 и предпринял попытку точить закаленный вал. От сильной вибрации пластина разлетелась всего за 10 секунд. Потом, к слову, выяснилось, что ремонт подшипников для станка требовался уже давно.
2. Постоянство припуска: Керамический инструмент не приветствует резких изменений припуска. Особенно это касается оксидной керамики. Если у вас литье с неравномерной коркой, целесообразнее, возможно, сначала пройти твердым сплавом, а уже затем вести чистовую обработку керамикой. Мы, например, как-то раз точили коленвалы, где припуск на одном участке составлял 0.5 мм, а на другом – 2.5 мм. Смешанная керамика Sandvik CC6065, безусловно, выдерживала, но ее ресурс уменьшался вдвое. В итоге пришлось, конечно, ввести дополнительный проход.
3. Геометрия пластины: Для проведения черновой обработки, бесспорно, выбираются пластины с широкой опорной фаской (T-land) или отрицательным углом при вершине, это, конечно, даёт повышение прочности. Для чистовой обработки – острые геометрии с незначительным радиусом при вершине (0.4-0.8 мм) для снижения режущих усилий и улучшения качества обрабатываемой поверхности. Пластины, оснащенные фаской 25 градусов и шириной 0.2 мм, превосходно работают на закаленных сталях.
4. СОЖ – с осторожностью: При работе с керамикой, особенно с оксидной, нужно избегать резкого охлаждения. Если вы ведёте обработку "насухую", то, по возможности, так и продолжайте. Если же применяется СОЖ, ее подача должна быть обильной и, главное, постоянной. Категорически нельзя, безусловно, включать СОЖ посреди процесса резания, если до этого работа велась без нее – термический шок гарантированно приведёт к разрушению пластины. Однажды фрезеровщик на универсальном станке обрабатывал закаленную плиту SiAlON фрезой, забыл включить СОЖ, а когда вспомнил, резко направил струю. Пластина треснула мгновенно.
5. Подготовка фасок: Для обработки закаленных сталей и чугунов, непременно, всегда задействуйте пластины, имеющие фаски (хонингование) на режущей кромке. Это, бесспорно, даёт увеличение ее прочности и предотвращает появление микровыкрашиваний. К примеру, у Iscar имеется геометрия SGT, оснащенная усиленной кромкой, которая отлично проявляет себя на закаленных материалах.
6. Контроль износа: Не нужно доводить пластину до состояния критического износа. Как только было замечено увеличение шероховатости, изменение оттенка стружки или возникновение вибраций – следует немедленно менять режущую кромку. Керамика, по сути, изнашивается быстро, но, к слову, предсказуемо. А уж если она начала крошиться, то это, бесспорно, верный сигнал того, что режим обработки выбран неправильно.
7. Правильный подбор класса керамики: Это, пожалуй, самое главное. Не нужно пытаться резать закаленную сталь SiAlON'ом, а жаропрочные сплавы – чистой оксидной керамикой. Для каждого материала, очевидно, существует свой оптимальный класс. В Sandvik Coromant, к слову, доступен отличный онлайн-калькулятор, который помогает правильно подобрать нужный класс и режим. Не ленитесь, безусловно, им пользоваться.

Сравнительная таблица керамических материалов

Тип керамики	Основные компоненты	Твердость (HV)	Прочность на изгиб (МПа)	Теплопроводность (Вт/мК)	Основные области применения	Преимущества	Недостатки	Примеры марок (производители)
Оксидная (белая)	Al2O3 (>99%)	1800-2200	400-600	25-30	Чистовая обработка чугунов, закаленных сталей (60-70 HRC) на высоких скоростях.	Высочайшая твердость, химическая стабильность, низкое наростообразование.	Очень высокая хрупкость, низкая ударная вязкость, не любит прерывистое резание.	CC6060 (Sandvik Coromant), AS200 (Mitsubishi), S160 (Walter)
Смешанная (черная)	Al2O3 + TiC (10-30%)	1600-2000	500-700	20-25	Получистовая и чистовая обработка чугунов, закаленных сталей (до 65 HRC), некоторых жаропрочных.	Выше прочность, чем у оксидной, лучше держит прерывистое резание, хороший баланс.	Ниже твердость при высоких температурах, чем у оксидной.	CC6065 (Sandvik Coromant), AS400 (Mitsubishi), S220 (Walter)
Нитридная (Si3N4)	Si3N4	1500-1800	700-900	35-45	Черновая и получистовая обработка чугунов (серый, ВЧ), жаропрочных сплавов (Inconel, Hastelloy) с прерывистым резанием.	Высокая прочность, ударная вязкость, стойкость к термошоку, хорошая теплопроводность.	Может быть химически активна с некоторыми сталями на очень высоких скоростях, ниже абразивная стойкость, чем у оксидной.	KBN525 (Kennametal), SN20 (Iscar), S705 (Walter)
SiAlON	SiAlON (Si3N4 + Al2O3)	1600-1900	750-1000	30-40	Черновая и получистовая обработка чугунов (все виды), жаропрочных сплавов, особенно при наличии корки и прерывистого резания.	Сочетает прочность нитрида и химическую стабильность оксида, отличная стойкость к износу при высоких температурах.	Дороже других видов керамики, не оптимальна для обработки низкоуглеродистых сталей.	KBN650 (Kennametal), IC50M (Iscar), S710 (Walter)
Керамика с покрытием	Базовая керамика + PVD/CVD (TiN, Al2O3, TiAlN)	Покрытие: 2000-3000	Зависит от базы	Зависит от базы	Чистовая обработка закаленных сталей, жаропрочных сплавов, где требуется очень высокая стойкость и качество поверхности.	Значительно увеличенная износостойкость, снижение трения, улучшенное стружколомание, защита от наростообразования.	Покрытие может быть чувствительно к термическому шоку, при износе покрытия работает базовая керамика.	KYS40 (Kennametal), IC40 (Iscar), AS400 (Mitsubishi)

Часто задаваемые вопросы о керамическом инструменте

Заключение: керамика — это не универсальное средство, а весомый аргумент

Керамический режущий инструмент – это не волшебная палочка, которая решит, безусловно, все возникшие проблемы. Это, бесспорно, высокотехнологичный, но при этом весьма специфичный вид оснастки. Он, к слову, требует глубокого понимания своей природы, точного подбора под конкретную задачу и, конечно же, соответствующего оборудования. За два десятка лет моей работы я убедился, что в умелых руках опытного технолога и на современном, жестком станке керамика способна творить настоящие чудеса, резко повышая продуктивность и качество доводки труднообрабатываемых материалов. Но если пренебречь установленными правилами, то даже самая дорогая пластина превратится в крошку за считанные секунды. Именно поэтому, прежде чем закупать партию керамического инструмента, тщательно изучите его характеристики, обязательно проконсультируйтесь с поставщиками и, главное, проведите испытания на вашем оборудовании и с вашими материалами. И тогда она, бесспорно, станет вашим надежным соратником в битве за каждый микрон и каждую секунду.