Керамические пластины: где применяют и как выбрать
Керамические пластины ставят там, где твёрдому сплаву не хватает теплостойкости: на закалённой стали, сером и высокопрочном чугуне, жаропрочных никелевых сплавах. Керамика сохраняет износостойкость на высоких скоростях резания, но плохо переносит удары и резкие перепады температуры. Поэтому выбор начинается с вида керамики под материал, а заканчивается жёсткостью наладки и решением, работать всухую или с СОЖ.
Где керамика работает лучше твёрдого сплава
Производители режущей керамики называют три основные области применения.
- Закалённая сталь примерно от 40 до 65 HRC, у отдельных марок до 70 HRC. Чистовое и получистовое точение после термообработки, лучше всего при непрерывном резании.
- Чугун. Серый чугун точат керамикой на 300-900 м/мин, от чистовых проходов до черновой обработки по литейной корке. Высокопрочный чугун тоже обрабатывают, но отдельными марками и на меньших скоростях.
- Жаропрочные никелевые и кобальтовые сплавы (Inconel, Waspaloy, Stellite): черновое и получистовое точение на 150-450 м/мин. Твёрдый сплав в тех же операциях работает на скоростях в несколько раз ниже.
Окончательные проходы ответственных деталей из жаропрочных сплавов оставляют твёрдому сплаву: керамика хуже влияет на состояние поверхностного слоя, и вблизи готового контура её не применяют. Нитридную керамику (Si3N4) не ставят на сталь, вне чугуна ей не хватает химической стойкости.
Виды режущей керамики
Основа режущей керамики либо оксид алюминия, либо нитрид кремния. Добавки меняют вязкость, стойкость к термоудару и химическую стойкость, от них зависит, на каком материале пластина работает лучше. Без покрытия виды различаются и по цвету: оксидная белая, смешанная чёрная, нитридная серая.
| Вид | Состав | Сильные и слабые стороны | Где применяют | СОЖ по каталогам |
|---|---|---|---|---|
| Оксидная (белая) | Al2O3 с добавкой ZrO2 | Химически стабильна, износостойка, плохо переносит термоудар | Чистовое точение серого чугуна на высоких скоростях | Всухую |
| Смешанная (чёрная) | Al2O3 + TiC или Ti(C,N) | Вязкость и теплопроводность выше, чем у оксидной | Закалённая сталь, чугун от получернового до чистового точения | Всухую или с СОЖ |
| Нитридная (серая) | Si3N4 | Высокая вязкость, лучше переносит термоудар | Серый и высокопрочный чугун, в том числе черновое и прерывистое точение | Серый чугун чаще всухую, высокопрочный с СОЖ |
| SiAlON | Si3N4 + Al2O3 | Вязкость нитрида кремния плюс химическая стойкость, хорошо сопротивляется проточине | Жаропрочные никелевые сплавы, серый чугун | Точение жаропрочных сплавов с обильной СОЖ, чугун всухую |
| Армированная вискерами | Al2O3 + нитевидные кристаллы SiC | Высокая вязкость, держит прерывистое резание и СОЖ | Никелевые и кобальтовые сплавы, поковки с коркой, черновое точение закалённой стали | С СОЖ или всухую |
Чего керамика не любит
Слабые места керамики производители называют прямо: стойкость к термоудару и трещиностойкость. Удар, вибрацию или заниженную скорость твёрдый сплав переживёт, а керамика ответит выкрашиванием и сколами.
- Удар на входе в резание. Вход на острую кромку заготовки может расколоть пластину. Перед проходом керамикой на заготовке снимают фаску. На жаропрочных сплавах фаска на входе и выходе ещё и уменьшает проточину на кромке.
- Вибрация и большой вылет. Державку берут максимального сечения с минимальным вылетом, для расточки подходят тяжелосплавные или твердосплавные борштанги. Деталь закрепляют жёстко.
- Заниженная скорость. Керамике нужна высокая температура в зоне резания, чтобы стружка размягчалась. Если сбросить скорость для надёжности, кромка начинает мелко выкрашиваться. Снижать скорость нужно, когда растут подача и глубина резания, а не просто для запаса.
Всухую или с СОЖ: что советуют производители
Опасна не сама жидкость, а перепад температуры. Термоудар возникает, когда горячая кромка то охлаждается, то снова нагревается: при прерывистой струе или при фрезеровании, где зуб входит в металл и выходит из него. Рекомендации зависят от вида керамики и операции.
- Точение жаропрочных сплавов керамикой SiAlON и армированной вискерами ведут с СОЖ. Sandvik Coromant советует подавать её во всех операциях, кроме фрезерования керамикой, большим объёмом и точно в зону резания, а подачу под давлением до 80 бар отмечает как полезную для стойкости.
- Серый чугун. Оксидную керамику на чистовой обработке чугуна ведут без СОЖ, нитридную керамику и SiAlON чаще всухую. Нитридные марки с повышенной стойкостью к термоудару допускают работу с СОЖ, а высокопрочный чугун ими точат с СОЖ.
- Закалённая сталь. Для смешанной керамики производители допускают оба варианта и приводят испытания как всухую, так и с СОЖ.
- Фрезерование керамикой ведут всухую: СОЖ усиливает цикл нагрева и охлаждения при каждом входе зуба и приводит к сколам. Допускается минимальная смазка распылением (MQL).
Если работаете с СОЖ, струя должна быть непрерывной и обильной от первого касания до выхода из реза, сопло направлено в зону резания, эмульсия без пены и с постоянной концентрацией. Как это настроить, разобрано в статье о подаче СОЖ в зону резания, а выбор жидкости под токарные работы в статье про СОЖ для токарного станка.
Форма пластины и негативная геометрия
Большинство керамических пластин негативные: собственный задний угол у них 0°, а рабочий задний угол получается за счёт наклона пластины в державке. Угол заострения кромки при этом 90°, кромка опирается на массив материала. У пластин без стружколома работают обе стороны, поэтому у квадратной восемь вершин, у треугольной шесть. Позитивные керамические пластины тоже выпускают, например круглые с задним углом 7° или 11° для профильной обработки.
Для чернового точения производители советуют самую прочную форму, которую позволяет деталь: круглую или квадратную с большим радиусом при вершине, и самую толстую пластину из подходящих. По прочности вершины формы идут так:
- круглые (R): самая прочная кромка, черновое точение и точение жаропрочных сплавов, при малой глубине резания допускают повышенную подачу;
- квадратные (S), 90°: черновое и получистовое точение, на жаропрочных сплавах угол в плане около 45° снижает проточину;
- ромбические 80° (C): продольное точение и подрезка торца одной пластиной;
- треугольные 60° (T): три вершины на сторону, вершина слабее, чем у ромба 80°;
- ромбические 55° (D): контурное точение, вершина самая слабая из перечисленных.
Толщина тоже прибавляет прочности: CNGN120708 толщиной 7,94 мм выдерживает больше, чем CNGN120408 толщиной 4,76 мм при том же размере. Пластины без отверстия (SNGN, CNGN, RNGN) крепят только прихватом сверху, под них нужна державка с прихватом. Кроме перечисленных форм, в каталоге есть прямоугольные, круглые позитивные и канавочные керамические пластины. Как читается обозначение целиком, разобрано в статье про маркировку токарных пластин по ISO.
Фаска на кромке: как читать T01025 и S02020
Острая кромка у керамики склонна к выкрашиванию, поэтому её упрочняют: шлифуют узкую фаску под отрицательным углом, иногда добавляют скругление (хонингование). Вид подготовки обозначают буквой по ISO 1832: F острая кромка, E скруглённая, T с фаской, S фаска со скруглением, K двойная фаска, P двойная фаска со скруглением. Размер пишут цифрами: в метрическом обозначении первые три дают ширину фаски в сотых долях миллиметра, последние две угол в градусах.
- T00520: фаска 0,05 мм под 20°;
- T01025: фаска 0,10 мм под 25°;
- T02025: фаска 0,20 мм под 25°;
- S02020: фаска 0,20 мм под 20° со скруглением кромки;
- Z01520: фаска 0,15 мм под 20° с малым скруглением (букву Z используют не все производители).
В дюймовых каталогах те же фаски пишут в тысячных долях дюйма: фаска 0,20 мм под 25° там выглядит как T00825. Выбор подготовки производители связывают с тем, как кромка теряет работоспособность. Если она в основном изнашивается, эффективна узкая фаска или минимальная подготовка. Если выкрашивается, нужны фаска пошире или скругление. Фаска со скруглением (S) ставит на первое место прочность кромки и широко применяется на твёрдых материалах. Цена прочности: широкая фаска повышает силы резания и может вызвать вибрацию.
Ориентировочные режимы резания
Диапазоны собраны из каталогов Sandvik Coromant, NTK, Kyocera и ISCAR для их марок керамики. Марки разных производителей внутри одного вида отличаются, поэтому начинайте с середины диапазона и корректируйте по износу.
| Материал и операция | Вид керамики | Vc, м/мин | f, мм/об | ap, мм | СОЖ |
|---|---|---|---|---|---|
| Закалённая сталь 40-50 HRC | Смешанная | 60-100 | 0,05-0,15 | 0,2-0,7 | Всухую или с СОЖ |
| Закалённая сталь 50-70 HRC, чистовое непрерывное | Смешанная | 30-200 | 0,05-0,2 | 0,1-0,7 | Всухую или с СОЖ |
| Серый чугун, чистовое и получистовое | Смешанная | 300-700 | 0,1-0,4 | 0,3-1,5 | Всухую или с СОЖ |
| Серый чугун, черновое, в том числе по корке | Нитридная, SiAlON | 300-900 | 0,3-0,6 | 0,5-3,5 | Чаще всухую |
| Высокопрочный чугун, черновое | Нитридная с покрытием | 300-600 | 0,15-0,4 | 0,5-3 | С СОЖ |
| Никелевые сплавы (Inconel 718), черновое и получистовое | SiAlON | 180-300 | 0,12-0,3 | 1-3 | Обильная СОЖ |
| Никелевые и кобальтовые сплавы, черновое, в том числе по корке | Армированная вискерами | 150-450 | 0,1-0,25 | 0,5-3 | С СОЖ или всухую |
Что подсказывает износ
| Признак | Причина | Что делать |
|---|---|---|
| Мелкое выкрашивание по всей кромке | Скорость занижена, в зоне резания мало тепла | Поднять скорость до диапазона каталога |
| Быстрый износ по задней поверхности | Слишком высокая температура резания | Снизить скорость или взять более износостойкую марку |
| Сколы слоями с передней поверхности | Слишком большое давление резания | Снизить подачу, на круглой пластине уменьшить глубину, перейти на армированную керамику |
| Проточина на линии глубины резания | Типично для жаропрочных сплавов | Уменьшить угол в плане, менять глубину по проходам, взять SiAlON |
| Скол при входе в деталь | Удар об острую кромку заготовки | Снять фаску на заготовке перед проходом |
| Трещины и сколы при работе с СОЖ | Термоудар от прерывистой струи | Непрерывная обильная подача или работа всухую |
Частые вопросы
Можно ли работать керамическими пластинами с СОЖ?
При точении можно, если вид керамики это допускает и струя непрерывная: так работают SiAlON и армированная керамика по жаропрочным сплавам, смешанная по закалённой стали, нитридная по высокопрочному чугуну. Оксидную керамику на чистовой обработке чугуна производители ведут всухую, фрезерование керамикой тоже рекомендуют вести без СОЖ.
Чем керамика отличается от КНБ (CBN) на закалённой стали?
Оба материала точат закалённую сталь, но пластина из КНБ обычно заметно дороже керамической. Керамика лучше всего работает при непрерывном резании. Если в детали пазы, отверстия и другие прерывания, сравните оба варианта на пробной партии.
Почему керамическая пластина раскололась на первом проходе?
Типичные причины: удар при входе на острую кромку заготовки, вибрация от большого вылета державки или слабого зажима детали и слишком низкая скорость. Снимите фаску на заготовке, сократите вылет и выставьте скорость по каталогу, а не по привычным для твёрдого сплава значениям.
Какую фаску выбрать: T00520 или T02025?
T00520 (0,05 мм под 20°) режет легче, её берут, когда кромка в основном изнашивается, а не выкрашивается. T02025 (0,20 мм под 25°) прочнее и подходит для черновой обработки, работы по корке и прерывистого резания, но повышает силы резания.
Подберём керамические пластины под ваш материал, станок и вид обработки, поможем с формой и фаской кромки и подскажем СОЖ, если точение идёт с охлаждением. Звоните +7 (495) 135-25-88 или смотрите керамические пластины в каталоге, доставляем по России.
