Перейти к содержимому 
Пластины CBN против твердого сплава: Какой режущий инструмент подходит для вашей задачи?
Неправильно подобранная пластина на закаленной заготовке означает бракованную деталь или испорченную кромку. КНБ и твердый сплав решают разные задачи. В этой статье мы расскажем вам, когда именно следует использовать каждую из них.
Что такое вставка CBN и как она изготавливается?
CBN означает кубический нитрид бора. Он изготавливается под сильным нагревом и давлением, так же, как и синтетические алмазы. По шкале твердости Кнупа его твердость составляет от 4 000 до 5 000 KHN. Это ставит его на второе место после алмаза по твердости.
Так почему бы просто не использовать алмазы? Потому что алмаз вступает в реакцию с железом при высоких температурах. Он быстро разрушается на стали и чугуне. КНБ не реагирует с железом. Вот почему КНБ работает на закаленных черных металлах, а алмаз - нет.
Многие пластины из КНБ изготавливаются с режущим слоем из КНБ, соединенным с твердосплавной основой, особенно пластины с наконечниками или паяные пластины из КНБ. Твердые пластины CBN содержат материал CBN по всему корпусу пластины и используются для более тяжелых и сложных видов обработки. Твердосплавная основа несет механическую нагрузку и поглощает удар. Слой КНБ выполняет режущую работу.
Вставки с наконечниками из КНБ
A вставка с наконечником из КНБ имеет небольшой сегмент CBN, припаянный к одному или нескольким углам твердосплавного корпуса. Большинство мастерских используют их для чистовой и получистовой обработки. Вставки с наконечниками из КНБ могут иметь один, два или до восьми углов. CNGA и DNGA - наиболее распространенные формы для токарной обработки с ЧПУ.
Цельные пластины из КНБ (Solid CBN Inserts)
A Твердый вкладыш из КНБПо всему периметру корпуса нанесен материал CBN. Полное тело лучше поглощает и распределяет тепло. Поэтому они выдерживают большие нагрузки и высокие скорости. Используйте цельный КНБ при черновой обработке закаленной стали или при работе с твердым чугуном на максимальной скорости шпинделя.
Что такое твердосплавная вставка и где она достигает своего предела?
Твердосплавные вставки изготавливаются путем спекания частиц карбида вольфрама в кобальтовом связующем. Кобальт придает вставке прочность. Твердость составляет от 1 000 до 2 000 KHN, что значительно ниже твердого сплава CBN, но все же намного тверже быстрорежущей стали.
Твердый сплав - самый используемый материал для режущих инструментов в обработке с ЧПУ. С его помощью можно точить, фрезеровать, сверлить и растачивать. Углеродистая сталь, нержавеющая сталь, алюминий, латунь, титан, большинство цветных сплавов. Твердый сплав с покрытием подходит для более твердых материалов и высоких температур.
Твердый сплав с покрытием
PVD-покрытия, такие как TiAlN и AlTiN, увеличивают срок службы инструмента при работе с более твердыми сталями. Некоторые виды твердого сплава с покрытием работают до 50 HRC. При температуре ниже 45 HRC твердого сплава с покрытием почти всегда достаточно.
Почему карбид не справляется с твердыми материалами
Температура является проблемой для твердых материалов. Кобальтовая связка начинает размягчаться при температуре выше 900°C. Когда это происходит, режущая кромка деформируется. Износ ускоряется. Поэтому на твердых материалах трудно использовать карбид с твердостью выше HRC 45.
Сравнительная таблица твердости КНБ и твердого сплава
| Состояние заготовки | Общий выбор инструментов | Примечания |
|---|---|---|
| Ниже 45 HRC | Твердосплавные вставки / твердосплавные вставки с покрытием | Экономически эффективен для общего точения, фрезерования и растачивания |
| 45-50 HRC | Твердый сплав с покрытием или CBN в зависимости от применения | Выбор зависит от размера партии, допусков, качества обработки поверхности и срока службы инструмента. |
| Выше 50 HRC, непрерывная обработка | Пластины с наконечниками из КНБ | Обычно используется для твердого точения и стабильной финишной обработки |
| Свыше 50 HRC, прерывистые или более тяжелые резы | Твердые пластины из КНБ / высокосодержащие сорта КНБ | Лучше для сильных ударов или тяжелых условий обработки |
| Очень жесткие допуски или особые требования к поверхности | Твердое точение или шлифование с использованием КНБ | Выбор зависит от геометрии детали, допусков и качества обработки поверхности |
Самая распространенная ошибка при работе с CBN
Использование КНБ на мягком материале является ошибкой. Мягкий металл не режет чисто; вместо этого он прилипает и волочится за инструментом. Это сопротивление приводит к повреждению кромки быстрее, чем у твердых металлов. КНБ можно использовать для обработки твердых поверхностей, и он прослужит дольше, если материал прочный. Если твердость материала ниже 48 HRC, вы зря потратите деньги, потому что инструмент будет изнашиваться слишком быстро.
Самые распространенные ошибки при работе с твердым сплавом
Работа с твердым сплавом выше 50 HRC на нормальных скоростях. Срок службы инструмента сокращается. Быстро ухудшается качество поверхности. Вы тратите больше времени на индексацию пластин, чем на резку деталей.
Термостойкость КНБ против карбида: Какая вставка выдерживает высокие температуры?
При токарной обработке закаленной стали на кончике инструмента образуется температура свыше 1 000°C. Не иногда. Каждый раз.
Как CBN справляется с нагревом
КНБ сохраняет твердость при температуре около 1 200°C. Таким образом, тепло не повреждает кромку. В большинстве случаев КНБ работает всухую. Прерывистое охлаждение хуже, чем отсутствие охлаждающей жидкости. Перепады температуры разрушают слой КНБ. Если вы все же используете охлаждающую жидкость, заливайте ее с самого начала и никогда не останавливайтесь в середине резки.
Как карбид справляется с теплом
Твердосплавные инструменты выходят из строя при температуре около 800°C. При таком высоком нагреве кобальтовая связка внутри инструмента становится мягкой, и острая кромка теряет свою форму. Использование охлаждающей жидкости очень важно для твердосплавных инструментов. Так как она сохраняет инструмент холодным и помогает ему служить гораздо дольше.
Могут ли пластины CBN заменить шлифование для финишной обработки поверхности?
Часто именно это заставляет принять решение в пользу CBN.
Обработка поверхности с помощью пластин CBN
КНБ на закаленной стали дает Ra от 0,28 до 0,8 мкм. Допуски плюс-минус 0,01 мм являются нормальными. Испытания сухого твердого точения на AISI 4140 при 50 HRC подтверждают, что при хороших условиях резания КНБ достигает Ra 0,28 мкм.
Это качество на уровне шлифовки. Закаленный вал трансмиссии при температуре 62 HRC может достичь окончательного размера и зеркальной отделки за один проход токарного станка. Без шлифовального станка. Никаких дополнительных настроек. Нет времени на переход от одного станка к другому.
Этот инструмент обеспечивает качество, не уступающее шлифовальному станку. Например, всего за один оборот токарного станка можно довести до окончательного размера и зеркального блеска вал из очень твердого металла 62 HRC. Вам не нужен шлифовальный станок или дополнительные действия по перемещению детали между различными станками.
Обработка поверхности твердым сплавом на твердом материале
Использование твердого сплава на твердом материале дает шероховатость поверхности Ra 0,35 мкм в лучшем случае. Это качество ухудшается по мере износа инструмента. Если вам нужна идеальная обработка твердого металла, твердосплавные материалы не подходят.
Явным признаком того, что вам нужен CBN, является тот факт, что на первых нескольких деталях обработка выглядит хорошо, но к 15 или 20 детали становится плохой. Это происходит потому, что карбид очень быстро изнашивается на твердых поверхностях.
Срок службы инструмента со вставками из КНБ по сравнению с твердосплавными
На закаленном материале с твердостью выше HRC 50 КНБ служит примерно в 5-10 раз дольше, чем карбид. Это число зависит от марки, материала и параметров, поэтому используйте его в качестве приблизительного ориентира.
Предсказуемый износ с помощью КНБ
На практике, что вы получаете с CBN, так это предсказуемый износ. Вы обрабатываете закаленное отверстие и по опыту знаете, что кромка даст вам 50 чистых деталей. Вы индексируете на 50-й детали. Никаких сюрпризов. Такая последовательность имеет значение при больших объемах работы.
Износ КНБ проявляется в виде изменения шероховатости поверхности до того, как деталь выходит за пределы допуска. Вы видите, как это происходит. При использовании твердого сплава на твердом материале отказ инструмента обычно происходит более внезапно. Одна деталь в порядке, а следующая - нет. Эта разница имеет значение при необслуживаемой обработке.
Срок службы твердосплавного инструмента при работе с твердыми и мягкими материалами
Твердый сплав на твердом материале менее предсказуем. Износ происходит быстрее и неравномерно. Одна вставка держится дольше, другая - нет. В производстве такая несогласованность приводит к образованию брака.
На более мягких материалах твердый сплав обладает высокой стойкостью инструмента. При твердости ниже 45 HRC нет смысла платить за CBN.
Когда использовать пластины CBN?
Токарные работы в автомобильной промышленности
Детали автомобильных силовых агрегатов - самый большой рынок для КНБ. Шестерни трансмиссии, закаленные до HRC 58-62, коленчатые валы, распределительные валы, подшипниковые кольца, тормозные барабаны, тормозные диски. Детали выходят из печи для термообработки и сразу поступают на токарный станок с ЧПУ с КНБ. Окончательный размер и чистовая обработка за один проход.
Например, отверстие под подшипник на закаленной шестерне - типичная работа с КНБ. Одной вставки хватает на всю смену. При обработке того же отверстия твердым сплавом требуется многократная смена индексов, и к концу работы все еще не удается выдержать допуск.
Обработка чугуна
Чугун - это совсем другая история, но и здесь КНБ силен. Серый чугун и высокохромистый чугун со скоростью от 500 до 1000 м/мин. Тормозные диски, блоки двигателей, отверстия цилиндров. Чугун очень абразивен и быстро разрушает карбид. КНБ справляется с абразивным износом, поскольку он намного тверже.
Токарная обработка штампов и пресс-форм
Закаленные инструментальные стали для штампов и пресс-форм, 63 HRC и выше, раньше требовали шлифования после термообработки. КНБ изменил эту ситуацию. Теперь многие производители пресс-форм выполняют чистовую обработку закаленной стали непосредственно на токарном станке.
Аэрокосмическая промышленность и сверхпрочные сплавы
Суперсплавы на основе никеля, такие как инконель, используемые в аэрокосмической и энергетической промышленности, также обрабатываются с помощью КНБ. Эти сплавы сохраняют свою твердость при высоких температурах, поэтому твердосплавные материалы на обычных скоростях работают плохо.
Когда следует использовать твердосплавные пластины вместо КНБ
Стали мягкой и средней твердости
Используйте твердый сплав для материалов с твердостью ниже 45 HRC. К ним относятся низкоуглеродистая сталь, среднеуглеродистая сталь, нержавеющая сталь, алюминий и латунь. Твердый сплав хорошо подходит для этих материалов, а также доступен по цене.
Материалы цветной группы
Для цветных материалов, таких как алюминий или латунь, требуется карбид или Пластины PCD. КНБ применяется только для металлов, содержащих железо. На алюминии или латуни КНБ вообще не помогает. Поэтому карбид с покрытием - более быстрый и дешевый способ резки этих материалов.
Прототипирование и короткие партии
Твердый сплав лучше подходит для изготовления прототипов или небольшого количества деталей. Один инструмент CBN стоит в 5-20 раз больше, чем инструмент из твердого сплава. Если вы делаете только одну или две детали, вы никогда не сэкономите достаточно денег, чтобы оплатить дорогой инструмент CBN.
Обработка общего назначения
Для мастерских, которые выполняют множество различных работ с разными материалами и размерами, твердый сплав - лучший выбор. Например, вы можете использовать твердый сплав для фрезерования, точения, сверления и растачивания. CBN не может выполнять все эти виды работ.
Сравнение стоимости детали при использовании пластин CBN и твердого сплава
Цена вставки - это не то, что важно. Важна стоимость готовой детали.
Как КНБ снижает стоимость одной детали в производстве
Пластины из КНБ стоят дороже. Но они работают дольше, меняются реже, а на закаленных деталях часто исключают этап шлифования. Меньше смен инструмента означает меньшее время простоя. Меньше простоев - больше деталей за смену.
Возьмем такой пример. Шестерня трансмиссии, материал 20CrMnTi, закалка до HRC 58-62, допуск IT6, требуется обработка поверхности Ra 0,8. Твердый сплав не может надежно обеспечить Ra 0,8 при такой твердости. КНБ соответствует спецификации и работает всю смену. Стоимость одной детали при использовании КНБ оказывается ниже, даже при более высокой цене пластины.
Твердое точение против шлифования
Токарный станок с ЧПУ со вставками из CBN может заменить круглошлифовальный станок для тяжелых токарных работ. Шлифовальный станок стоит в три-пять раз дороже токарного. Если CBN позволяет избежать его покупки, то это уже оправдывает затраты на инструмент.
Когда карбид является более дешевым вариантом
Небольшие магазины часто избегают CBN из-за предварительной цены. Это имеет смысл для коротких партий. Но если вы обрабатываете одну и ту же закаленную деталь неделю за неделей, математика быстро меняется. Подсчитайте, сколько твердосплавных пластин вы используете в неделю для этой работы, а затем сравните с одной пластиной CBN при том же объеме.
Скорость, подача и глубина резания пластин из КНБ и твердого сплава
Параметры резания CBN для твердого точения
Для обработки закаленной стали с твердостью HRC от 45 до 68 скорость резания обычно составляет от 80 до 250 м/мин. Чугун обрабатывается гораздо быстрее, до 1 000 м/мин. Скорость подачи для чистовой обработки составляет 0,04-0,15 мм/об. Глубина резания при чистовой обработке составляет от 0,05 до 0,5 мм.
Используйте мелкозернистый КНБ, когда важна чистота поверхности. Крупнозернистый не может достичь Rz 3,2. Работайте всухую, когда это возможно. Если вам нужна охлаждающая жидкость, начните заливать ее до начала резания. Никогда не переходите с сухого на мокрый режим в середине резания. От теплового удара пластина растрескается.
Следите за тем, чтобы радиус носа полностью входил в материал. Если кромка выходит из реза и снова входит в него, она скалывается. Чаще всего это происходит при обработке отверстий, когда установка недостаточно жесткая. Пластина выдерживает нагрузку при резании. Она не выдерживает многократных ударов при отскоке инструмента.
Параметры резки твердого сплава
Для твердого сплава по общей стали и смешанным материалам скорость резания составляет от 100 до 400 м/мин в зависимости от марки и покрытия. Скорость резки алюминия составляет от 400 до 1 000 м/мин при правильном выборе марки. Твердый сплав работает с положительной геометрией граблины, обрабатывает прерывистые резы с твердостью ниже 45 HRC и хорошо работает с заливной СОЖ.
Как правильно выбрать класс пластин CBN
Процентное содержание CBN и тип связующего - вот два фактора, определяющие характеристики марки.
Градусы с низким содержанием CBN
Керамическое связующее, лучшая химическая стабильность и износостойкость. Используйте их для обработки закаленной стали при непрерывной резке, чистовой обработки подшипниковых колец, трансмиссионных валов и закаленных отверстий, где качество поверхности является целью.
Градусы с высоким содержанием КНБ
Металлическое связующее, более прочное, менее износостойкое. Лучше для прерывистого резания. Токарная обработка шестерен со шпоночными пазами, торцевание деталей с отверстиями, поперечное сверление. Также хорошо подходит для высокоскоростного чугуна. Чугуну нужна стойкость к истиранию, а не химическая стабильность, поэтому более жесткое связующее хорошо работает.
Градусы КНБ с покрытием
На поверхность CBN с покрытием наносится слой PVD, обычно TiN. Это уменьшает окисление кромок и помогает при умеренных скоростях и больших глубинах резания. Пригодится, если вы делаете более тяжелые проходы и срок службы инструмента важнее максимальной скорости резания.
Размер зерен КНБ
При выборе сорта спросите поставщика о размере зерна. Мелкое зерно обеспечивает лучшую обработку поверхности. Крупное зерно дольше держится на грубых проходах. Для большинства видов финишной обработки закаленной стали требуется мелкое зерно, чтобы достичь Ra 0,8 или ниже.
Требования к жесткости станка для твердого точения с использованием КНБ
Почему CBN требует жесткой настройки
КНБ требует жесткой установки. Изношенные подшипники шпинделя, ослабление зажима или вибрация приведут к поломке пластин. Вы будете думать, что марка неправильная. Обычно проблема заключается в станке.
Перед использованием КНБ проверьте момент зажима резцедержателя. Например, если пластина немного ослаблена, она будет двигаться во время резания. В результате этого небольшого движения скол на кромке инструмента. Будет казаться, что инструмент сломан, но на самом деле проблема заключается в зажиме.
В инструментах CBN используется геометрия с отрицательным углом наклона. Такая конструкция направляет силу резания обратно в тело инструмента. Это создает повышенное давление на станок. Шпиндель станка, резцедержатель и способ удержания детали должны быть очень прочными, чтобы выдержать это усилие.
Почему твердый сплав терпим к несовершенным установкам
Твердый сплав проще в использовании. Например, вы можете выбрать инструмент с положительным углом наклона. Впоследствии кобальт внутри инструмента поглощает больше ударов и вибраций. Это означает, что вибрация наносит меньший ущерб инструменту. Поэтому, если ваш станок настроен не идеально, твердосплавный инструмент безопаснее и дает больше возможностей для ошибок.
Выбор пластины из КНБ и твердого сплава
Шаг 1: Проверка твердости заготовки
При твердости выше 50 HRC используйте CBN. Ниже 45 HRC используйте твердый сплав. В диапазоне от 45 до 50 HRC сначала попробуйте использовать твердый сплав с покрытием, прежде чем тратиться на инструмент из КНБ.
Шаг 2: Проверьте тип материала
КНБ применяется только для черных металлов. Алюминий, латунь, медь, композиты - все они требуют твердого сплава или PCD. Твердость этого не меняет.
Шаг 3: Проверьте размер партии
КНБ окупает свои затраты при средних и больших объемах обработки. На коротких сериях преимущество в стойкости инструмента не успевает компенсировать цену пластины.
Шаг 4: Проверьте требования к чистоте поверхности
Если ваше требование к чистоте обработки закаленной детали - Ra 0,8 или выше, карбид не выдержит. Это означает только CBN.
Шаг 5: Проверьте тип разреза
Для прерывистых резов на закаленном материале, шестернях со шпоночными пазами, шлицевых валах, деталях с поперечными отверстиями используйте твердый КНБ с высоким содержанием прочности. КНБ с наконечником предназначен для непрерывной чистовой обработки. Керамические пластины будут разрушаться при жестких прерывистых резах.
Заключение
На черных материалах выше HRC 50 - CBN. Все остальное - твердый сплав. Диапазон от 45 до 50 HRC зависит от размера партии, условий обработки и настройки. Если вы не уверены в том, какая марка CBN подходит для вашей задачи, проконсультируйтесь с поставщиком режущего инструмента перед заказом.
Вопросы и ответы
В чем разница между пластинами из CBN и твердого сплава?
CBN - это очень твердый искусственный материал. Он используется для резки твердых металлов. Лучше всего он работает на металлах с твердостью более 45 HRC.
Твердый сплав состоит из вольфрама и кобальта. Его можно использовать для различных работ. Он работает с большинством распространенных материалов.
Является ли КНБ более твердым, чем карбид?
Да. Твердость КНБ составляет от 4 000 до 5 000 KHN по шкале твердости Кнупа. Твердый сплав имеет твердость от 1 000 до 2 000 KHN. Твердый сплав CBN примерно в два-пять раз тверже в зависимости от марки.
Является ли CBN более твердым, чем карбид вольфрама?
Да. Карбид вольфрама имеет твердость от 1 000 до 2 000 KHN. КНБ при 4000-5000 KHN значительно тверже. Тверже КНБ только алмазы.
Когда использовать пластины из КНБ?
Используйте CBN, если ваш металл тверже 50 HRC. Лучше всего он работает с железом и сталью. Используйте его, когда вам нужно, чтобы все детали имели одинаковую гладкую поверхность. Он также отлично подходит, когда вам нужны точные размеры для многих деталей подряд.
