Появление концевых фрез для трехмерного фрезерования твердосплавных материалов наглядно демонстрирует то, как производители ухитряются изготавливать литьевые формы из таких материалов без дополнительных затрат времени и денег.

Довольно долгое время твердосплавные материалы применялись для изготовления режущего инструмента: сверл, концевых фрез и режущих пластин. Твердость, долговечность и способность к длительному сохранению остроты режущей кромки позволяют использовать инструмент из таких материалов даже для фрезерования закаленных сталей (при условии нанесения технологического покрытия), что ранее невозможно было себе представить. Сейчас это называется «твердое фрезерование».

Те же самые свойства материала заставили производителей литьевых форм задуматься, а можно ли использовать твердосплавные материалы для изготовления форм с целью повышения твердости поверхности и большей долговечности. Если появится возможность выполнять мелкую детализацию, а также получать хорошее качество поверхности, то стойкость и долговечность материала позволят продлить срок службы формы, что приведет к снижению себестоимости продукции.

Фрезерование в изготовлении литьевых форм

Микрофотография части готовой детали

Однако, так же как и при производстве режущего инструмента, производителям литьевых форм приходится получать форму детали методом фрезерования или с использованием электроэрозионной технологии. Оба эти способа обладают большими возможностями, однако первый накладывает ограничение на размеры мелких деталей, а второй является довольно дорогим и долгим процессом.

Идеальное решение – прямое фрезерование, напрямую из CAM-приложения, как для закаленных сталей. Однако возникает вопрос: «Каким образом можно надежно и экономично фрезеровать твердосплавные материалы»?

Анализ твердосплавных материалов

Ответ на этот вопрос нашелся в начале 2011 года, когда проблема поиска решения со всей очевидностью вышла на первый план. Необходимо было найти способ нанесения технологического покрытия на концевые микрофрезы, затем разработать процесс их изготовления и составить для конечного пользователя рекомендации к применению.

Первое тестирование показало, что алмазное покрытие позволяет добиться хорошего сочетания стоимости и надежности по сравнению с поликристаллическим алмазом и нитридом бора. Также твердосплавная концевая фреза с алмазным покрытием обладает большей степенью анизотропности, что позволяет ей лучше выдерживать вибрацию и дребезжание.

Фрезерный инструмент

Процесс удаления стружки, снятый с использованием камеры высокоскоростной съемки. Размер частицы стружки – 0.15 мм

Использование химического парофазного осаждения горячего накаливания дает более однородное и гомогенное покрытие, в частности на комплексных поверхностях, таких, как режущая часть сферической фрезы. Покрытию также необходимо было придать твердость, превосходящую твердость материала заготовки – цементированного карбида; в идеале характеристики  должны быть близки к показателям твердости монокристаллического алмаза – около 9000 единиц по Виккерсу.

Другой ключевой задачей было получение максимальной адгезии покрытия к поверхности фрезы для предотвращения отслаивания. Такая адгезия была достигнута путем применения высокоточного процесса нанесения покрытия, который позволяет контролировать взаимодействие обоих материалов в точке контакта.

Применение концевых фрез для трехмерного фрезерования

Готовая деталь демонстрирует точность линий реза, отсутствие задиров и чистоту поверхности

И, наконец, для обеспечения необходимых допусков поверхности готовой детали, а также для идентичности режущего инструмента, необходимо было обеспечить единую толщину покрытия для получения лучшей и единообразной формы режущих кромок.

Решение этой задачи оказалось значимым прорывом, поскольку тестирование показало, что правильное сочетание формы режущей поверхности и свойств покрытия позволяет концевой фрезе резать карбид с появлением мелкой скалываемой стружки, в итоге получая чистую поверхность заготовки с полным отсутствием заусенцев.

Во время тестирования была проведена оценка использования наиболее распространенных смазочно-охлаждающих жидкостей, и в итоге было рекомендовано удаление стружки и охлаждение с использованием потока воздуха, поскольку это наиболее экологичное решение  – при этом способе частицы стружки и СОЖ не образуют пасту, которую иногда можно наблюдать при охлаждении масляным туманом.

В результате получилась концевая фреза, способная надежно вырезать трехмерные детали в цементированном карбиде.

Тестирование

Фрезерный инструмент и обработка металла

CAM-изображение трехмерной звездообразной детали 9 мм в диаметре

Для тестового образца была разработана трехмерная деталь звездообразной формы. При фрезеровании этой детали и была протестирована концевая фреза диаметром 1 миллиметр с геометрией и покрытием, описанным выше в этой статье.

В качестве заготовки была выбрана пластина из мелкозернистого карбида VF-20 с твердостью 92,5 единиц Роквелла по шкале А, с размером зерна 0,5 микрон и добавкой 13 процентов кобальта. Прочность на изгиб была оценена в 4500-5000 мПа.

На станке с ЧПУ был использован высокоточный цанговый держатель фрезы, параметры были установлены в 30000 оборотов шпинделя в минуту, горизонтальная подача 300 мм/мин с аксиальной глубиной резания 0,05мм и радиальной глубиной 0,30мм при черновой и 0.005мм при чистовой обработке. Предпочтение было отдано винтовому способу фрезерования, так как с его помощью можно добиться более ровной нагрузки на инструмент  –  нагрузка при обработке цементированного карбида в три раза выше, чем при обработке закаленной инструментальной стали. Как уже было отмечено, охлаждение осуществлялось с помощью потока воздуха.

Фреза UCDB

Фреза UCDB диаметром 1мм после 39 минут фрезерования, вид сбоку.

Сравнительное время обработки обычным электроэрозионным методом было рассчитано как 3-4 часа, включая время изготовления электрода. При этом полное время обработки методом прямого фрезерования составило 39 минут при использовании одной-единственной фрезы. Всего из заготовки было изъято 91.7 кубических миллиметров материала со скоростью изъятия 2.35 кубических миллиметров в минуту.

На недавней международной выставке этот опыт повторялся ежедневно, и после каждого цикла миллиметровая сферическая концевая фреза, используемая в работе, измерялась на предмет износа режущей части. Результаты показали, что износ составил менее 1.8 микрон. Целью презентации было получение чистой, без раковин и заусенцев, поверхности, которую можно было бы воспроизводить многократно с сохранением требуемых допусков, заложенных в техзадании.

Видео:

 

Резюме

Усовершенствование концевой фрезы с целью получения возможности вырезания трехмерных деталей в твердосплавных материалах является ключом к решению исходного вопроса о том, как производителям литьевых форм в полной мере использовать твердосплавные материалы с их эксклюзивными свойствами, при этом не выплачивая за новшества ни денег, ни дополнительных машино-часов и получая высокую степень детализации поверхности, что может вывести твердосплавные материалы на первое место в качестве материала для изготовления литьевых форм.

Справочная информация

Тестирование проводилось доктором наук Хайдом Уотанейбом в техническом центре компании Union Tools Nagaoka, Япония. На основе проведенных экспериментов был зарегистрирован патент на алмазное покрытие, использованное для данного продукта.

 

Перевод статьи Taking Advantage of Carbide Material for Your Mold Designs,
автор  Jonathan Hay

 



Понравилась статья? Поделитесь: