Влияние материальной жесткости на выбор и производительность инструментов для брейчинга

Введение: Материальная трудность в операциях по взлому

Брохинг - это высокопроизводительный процесс обработки, используемый для получения точных внутренних или внешних контуров за один проход. Инструмент - брошь - состоит из серии постепенно увеличивающихся режущих зубов, которые последовательно удаляют материал. В то время как многие факторы влияют на успех прорезывания, твердость материала заготовки является одной из наиболее важных. Твердость влияет на выбор материала инструмента, геометрию инструмента, параметры резания и общую экономику процесса. Несоответствие между твердостью заготовки и выбором инструмента может привести к преждевременному износу инструмента, плохой поверхностной отделке, размерной неточности или даже поломке инструмента. Эта статья обеспечивает всестороннее изучение того, как твердость материала стимулирует выбор и производительность инструмента для прокладки, оснащение инженеров и машинистов действенными знаниями для оптимизированных операций.

Брачинг используется в различных отраслях промышленности - автомобильной, аэрокосмической, медицинской техники и тяжелой техники - для таких применений, как ключевые магистрали, сплайны, зубья зубьев и нарезка. Стоимость прокладки высока, что делает жизнь инструмента и надежность первостепенными. Понимание взаимодействия между твердостью заготовки и атрибутами инструмента позволяет принимать обоснованные решения, которые снижают стоимость на часть и улучшают пропускную способность.

Понимание материальной твердости: масштабы и измерение

Твердость определяется как устойчивость материала к локализованной пластической деформации, вдавливанию или царапинам. Существует несколько стандартизированных шкал, каждая со специфическими индентерами и нагрузками. Три наиболее распространенных в металлообработке — это Rockwell, Brinell и Vickers.

Rockwell Hardness (HR)

В тестировании Rockwell используется алмазный конус или стальной шарик-индентер. Глубина проникновения под предварительной незначительной нагрузкой, а затем измеряется большая нагрузка. Масштабы включают HRC (бриллиантовый конус для закаленных сталей, диапазон ~20-70 HRC), HRB (стальный шар для более мягких материалов, диапазон ~20-100 HRB) и HRA (бриллиантовый конус для тонких или очень твердых материалов). Для прошивки HRC является наиболее упоминаемой шкалой. Например, мягкая сталь может быть ~60-70 HRB (~10-20 HRC), в то время как закаленная инструментальная сталь может быть 58-65 HRC.

Brinell Hardness (HB)

Brinell использует закаленный стальной или карбидный шар заданного диаметра (обычно 10 мм), изрезанный нагрузкой (обычно 3000 кгс для металлов). Диаметр оттиска измеряется. Brinell подходит для крупнозернистых или гетерогенных материалов, таких как отливки. Значения варьируются от ~80 ГБ для мягкой меди до более 600 ГБ для полностью закаленной стали. Грубое преобразование: HB ≈ 29-30 ГРК в среднем диапазоне.

Жесткость Виккерса (HV)

Виккерс использует алмазный пирамидальный индентер и нагрузку, которая может варьироваться от 1 до 120 кгс. Он дает непрерывную шкалу и идеально подходит для тонких секций, покрытий или очень твердых материалов. Значения виккерса распространены в исследованиях и для карбидных или керамических инструментов. Например, кончики цементированного карбида имеют твердость 1400-1800 HV, в то время как кубический нитрид бора (CBN) превышает 4000 HV.

Понимание этих масштабов имеет важное значение, поскольку рекомендации по материалам инструмента часто определяют твердость заготовки в таблицах преобразования HRC, HV или HB.

Влияние материальной жесткости на выбор инструментов для брейчинга

Инструментальный материал должен выдерживать наложенные заготовкой силы резания, истирания и тепловые нагрузки. Более жесткие заготовки требуют инструментальных материалов, которые еще более тверды и более износостойки. Однако одной твердости недостаточно; также важны прочность, химия и термостойкость.

Высокоскоростные стальные (HSS) инструменты

HSS (например, M2, M42) имеет твердость 60-67 HRC при комнатной температуре, сохраняя горячую твердость до ~600°C (M42 обеспечивает более высокую горячую твердость из-за кобальта). HSS-броши являются экономически эффективными и прочными, что делает их пригодными для мягких материалов, таких как:

• Алюминиевые сплавы (40-80 HB, ~10-20 HRC)
• Медь и бронза (60–100 HB, ~10–30 HRC)
• Легкая сталь (100-180 HB, ~10-20 HRC)
• Низкоуглеродистые стали и некоторые нержавеющие стали (отожженные)

Инструменты HSS превосходят те, где требуется высокая прочность, чтобы противостоять отсечению от прерванных разрезов (например, шероховатых секций броши). Их также легче закрепить, чем более твердые материалы. Однако для заготовок выше 35 HRC износ HSS быстро ускоряется, что приводит к плохой стабильности размеров и короткому сроку службы инструмента.

Инструменты карбида и карбида вольфрама

Цементированный карбид (WC-Co) имеет твердость 68-80 HRC (обычно ~ 1400-1800 HV). Он предлагает исключительную износостойкость и прочность на сжатие. Карбидные броши используются для более твердых материалов, таких как:

• Закаленные инструментальные стали (45-60 HRC)
• Высокопрочные легированные стали (35-50 HRC)
• Нержавеющие стали в закаленном состоянии
• чугуны (200-400 HB)
• Сверхсплавы на основе никеля (например, Inconel, ~35-45 HRC)

Карбид хрупкий по сравнению с HSS; таким образом, геометрия инструмента должна быть надежной (большие радиусы кромки, более прочные профили зубов). Карбидные броши часто используются в производственных средах с большими объемами и стабильными машинами. Покрытия, такие как TiN, TiAlN или AlCrN, дополнительно увеличивают твердость поверхности (до 2200-3000 HV) и уменьшают трение.

Керамические и серметовые инструменты

Керамика (Al2O3, Si3N4) имеет твердость 1800-2000 HV и отличную горячую твердость до 1200°C. Они подходят для чрезвычайно твердых материалов (выше 55 HRC) и высокоскоростной отделки. Однако керамика чрезвычайно хрупкая и обычно не используется для периодических разрезов прошивки, за исключением специализированных применений (например, для отделки очень твердого пред-образного отверстия). Cermets (на основе TiC / TiN) предлагают баланс между прочностью и твердостью (1200-1700 HV) и находят применение в отделке прокладок для закаленных сталей.

Сверхабразивные инструменты: кубический нитрид бора (CBN) и поликристаллический алмаз (PCD)

CBN уступает только алмазу по твердости (4000-5000 HV) и является термически стабильным до ~1200°C. Это предпочтительный инструментальный материал для прокладки закаленной стали (58-68 HRC) и порошковых металлургических материалов. CBN броши дороги, но могут увеличить срок службы инструмента в 10-50 раз по сравнению с карбидом в том же приложении. Они часто используются в качестве вставок, прикрепленных к стальному корпусу. PCD (6000-8000 HV) еще сложнее, но имеет плохую химическую стабильность с черными материалами; он зарезервирован для цветных и абразивных композитов (например, алюминиево-кремниевых сплавов, ММС).

Соображения производительности в диапазоне жесткости

После выбора материала инструмента производительность определяется параметрами резки, геометрией инструмента, охлаждающей жидкостью и состоянием машины. Твердость напрямую влияет на эти переменные.

Сокращение скорости и скорости кормления

Для мягких материалов возможны высокие скорости резания (15–30 м/мин для HSS на алюминии) и умеренные корма. По мере увеличения твердости скорость должна уменьшаться для управления теплом и износом инструмента. Общее правило: на каждые 10 HRC увеличивают выше 30 HRC, уменьшают скорость резания на 10–15%. Например, карбидная брошь на 50 HRC сталь может работать на 3–6 м/мин, в то время как на 60 HRC она может опускаться ниже 3 м/мин. Корм на зуб (нагрузка чипа) также регулируется; более твердые материалы требуют более легких кормов для предотвращения перегрузки и перелома зуба.

Инструменты жизни и механизмы ношения

Более твердые заготовки вызывают больше истирания и износа. При высокой твердости износ кратера от диффузии и термического размягчения становится значительным. Жизнь брокера обычно измеряется количеством частей или общей длиной, протянутой. Для HSS на мягких материалах жизнь может составлять 10 000-10 000 частей; для карбида на твердых материалах 1000-10 000 частей; для CBN на очень твердой стали 5000-50,000 частей в зависимости от условий. Смазка имеет решающее значение: охлаждающие жидкости высокого давления, с высоким объемом на масляной основе или водонепроницаемые охлаждающие жидкости высокого давления (EP) используются для уменьшения трения, смывных чипов и температуры управления. Неадекватное охлаждение может вызвать термическое растрескивание и быстрый отказ инструмента.

Поверхностная отделка и точность измерений

Твердость влияет на формирование чипов и нарастание края. Мягкие, жевательные материалы (например, низкоуглеродистая сталь) имеют тенденцию образовывать длинные чипы и могут вызывать наращивание края, ухудшение отделки поверхности. Более твердые материалы производят более короткие, сегментированные чипы, но требуют более острых краев и более жестких настроек, чтобы избежать болтовни. При правильной конструкции инструмента поверхностная отделка Ra 0,4-1,6 мкм достижима в диапазонах твердости. Размерная точность (IT6-IT8) поддерживается за счет контроля износа инструмента и теплового расширения.

Инструмент для регулировки геометрии

Параметры конструкции брухов — угол грабежа, угол клиренса, шаг, подъем зуба (ступ на зуб) и ширина земли — корректируются на основе твердости заготовки:

• Угол грабежа: Более мягкие материалы переносят более высокие положительные углы грабежа (10°-15°) для уменьшения силы резки. Более твердые материалы требуют более низких или даже отрицательных углов грабежа (0°-5°) для укрепления режущей кромки.
• Угол очистки: Обычно 1°-3°. Более твердые материалы могут использовать более низкий клиренс для уменьшения защелкивания края.
• Настой и шаг: Более твердые материалы нуждаются в более коротком шаге и меньшем поднятии зуба (0,02-0,05 мм на зуб), чтобы ограничить нагрузку на чип и предотвратить поломку зуба.
• Подготовка к краю: Нагрев или укорочение режущей кромки повышает прочность кромки; это необходимо для карбида и керамических инструментов на твердых заготовках.

Покрытия и обработка поверхности

Покрытия для инструментов уменьшают трение, повышают твердость поверхности, обеспечивают тепловые барьеры и снижают химическое сродство. Общие покрытия для брошей включают:

• TiN (Нитрид титана): Твердость ~2300 HV, хороша для стали общего назначения (до ~45 HRC). Низкий коэффициент трения (0,4-0,6).
• TiAlN (нитрид титанового алюминия): Твердость ~3300 HV, отличная горячая твердость до 900°C. Идеально подходит для более высокой твердости и сухой или почти сухой обработки.
• AlCrN (Нитрид алюминия хрома): Твердость ~3200 HV, превосходная стойкость к окислению до 1100°C. Эффективно для закаленных сталей и нержавеющих сталей.
• TiCN (Titanium Carbonitride): Твердость ~ 3000 HV, низкое трение, используется для абразивных условий.
• DLC (алмазоподобный углерод): Очень низкое трение (0,1-0,2), но ограниченное цветными или специфическими сплавами из-за химической реактивности с железом.

Выбор покрытия должен соответствовать твердости рабочего материала и режиму прошивки. Например, карбидные вышивки с покрытием TiAlN являются общими для сталей 50-58 HRC. Для сталей 60 HRC и выше CBN (либо сплющенные, либо в качестве покрытия) более эффективен.

Тематическое исследование: Broaching Hardened Steel Spline

Производитель производил 54-зубчатую внутреннюю сплайновую сталь в AISI 4340, затвердевшую до 42-46 HRC. Первоначально HSS-броши (M42) давали средний срок службы 200 частей на заточку, с частым прокалыванием зубов и поверхностным ожогом. Скорость резания составляла 4 м/мин с водяным теплоносителем. Компания перешла на карбидную брошь с покрытием TiAlN (WC-Co с 10% Co, твердость ~ 1400 HV). С регулируемыми параметрами (скорость 3,5 м/мин, уменьшенный шаг на зуб с 0,04 мм до 0,03 мм), срок службы инструмента увеличился до 1200 частей на заточку, а отделка поверхности улучшилась с 1,2 до 0,8 мкм. Более высокая начальная стоимость инструмента была компенсирована 60%-ным снижением общей стоимости прокладки на деталь.

Практические рекомендации по выбору инструмента на основе сложности

1. Для заготовок ниже 30 HRC (или <300 HB): Используйте HSS (M2, M42) с покрытием TiN. Оптимизируйте для высокоскоростной и микросхемной эвакуации.
2. Для заготовок 30–45 HRC (300–450 HB): HSS с покрытием TiAlN может работать, но карбид (с TiAlN или AlCrN) более надежен для объемного производства. Используйте положительные грабли (5°–10°) и умеренные скорости.
3. Для заготовок 45-55 HRC (450-600 HB): Карбид является стандартным; рассмотрим CBN для очень высоких допусков или длительных пробегов. Используйте отрицательные грабли (0°-5°) и уменьшенный шаг на зуб.
4. Для заготовок выше 55 HRC (>600 HB): рекомендуется использовать броши CBN с низкой скоростью (<3 м/мин) и охлаждающую жидкость высокого давления (60-100 бар).
5. Для цветных абразивных материалов (высококремниевый алюминий, MMC): Инструменты PCD (или CVD алмаз) обеспечивают наилучший срок службы, но избегают черных заготовок для предотвращения химического износа.