Введение

Металлорежущий инструмент, орудие производства для изменения формы и размеров обрабатываемой металлической заготовки путём удаления части материала в виде стружки с целью получения готовой детали или полуфабриката.

1. Современный рынок металлорежущего инструмента

В целом мировой рынок металлорежущего инструмента оценивается на конец 2019 года в 40 млрд. $.


Соответственно в данном сегменте рынка сложилась достаточно жесткая конкуренция. Для удержания лидирующих позиций ведущие фирмы, производители инструмента вкладывают в НИОКР огромные средства. Результатом работы отделов R&D является регулярное появление на инструментальном рынке новых инструментальных материалов, новых инструментов.

Как видно из диаграммы неуклонно растет именно доля современного инструмента в общем объеме, а именно монолитный твердосплавный инструмент и сборные конструкции с использованием сменных неперетачиваемых пластин.

С появлением новых инструментальных материалов (твердые сплавы, керметы, износостойкие покрытия на основе сложных химических соединений) особое внимание уделяется геометрии инструмента (режущая кромка), которая позволила бы максимально эффективно использовать высокие эксплуатационные свойства этих материалов.

По видам инструментов современный рынок выглядит примерно следующим образом:


Как видно из представленного рисунка большая часть инструмента расходуется на станках фрезерной группы: Фрезерный инструмент (28%), Сверлильный инструмент (20%) и инструмент для нарезания различных видов резьбы (14%). Чтобы не тратить время остановимся именно на этой группе инструмента.

Учитывая всевозможные варианты использования металлорежущего инструмента, ведущие фирмы производители рекомендуют в большинстве случаев использовать узкоспециализированный инструмент. Например, при обработке фрезами со сменными пластинами четко разделяют пластины, предназначенные для обработки конструкционных сталей, легированных сталей, нержавеющих сталей, закаленных сталей и т.д, кроме этого по своим геометрическим параметрам разделяют инструмент для черновых и чистовых операций.

Именно металлорежущим инструментом обеспечивается большая часть работ, определяющая завершенный облик изделий. Так же стоит отметить, что требования к инструменту растут, но в большинстве случаев все эти требования можно свести лишь к нескольким пунктам:

  • повышение эффективности использования металлорежущего инструмента;
  • выполнение задач, в соответствии с новыми требованиями;
  • снижение затрат предприятия на металлорежущий инструмент.

В большинстве случаев определяющим фактором при выборе современного инструмента для решения вышеуказанных задач является его производительность. В связи с этим прослеживается четкая тенденция роста скоростей резания.

Повышение скоростей резания диктуется рынком, так как увеличение скорости резания повышает производительность производства и соответственно его рентабельность.

Рассмотрим диаграмму материалов, используемых при производстве металлорежущего инструмента.


Львиную долю на мировом рынке инструмента занимают именно современные материалы, такие как мелкозернистые твердые сплавы, быстрорежущие стали, изготовленные методом порошковой металлургии. На долю такого инструмента приходится порядка 95 % от общего объема.

Распределение по фрезерному инструменту выглядит примерно следующим образом:

Наиболее распространенный инструмент представляет собой сборную конструкцию со сменными пластинами с нанесением многослойного износостойкого покрытия, либо монолитный твердосплавный инструмент в случае конструктивной невозможности крепления сменной части к корпусу. Достаточно часто, в случаях, когда требуется относительная пластичность инструмента, используют современные сплавы, изготовленные на основе быстрорежущей стали, с нанесением износостойких покрытий.

Тенденция повышения скоростей резания четко прослеживается и при рассмотрении современного металлорежущего оборудования. Появление высокооборотных шпинделей позволяет более эффективно использовать потенциал инструмента. На данный момент уже большинство фирм, производителей станков, в базовой комплектации предлагают шпиндели с частотой вращения 8 – 12 тыс об/мин, вместо 4 – 6 тыс предлагаемых сравнительно недавно. Достаточно часто обрабатывающие центры комплектуются высокоскоростными шпинделями с максимальной частотой вращения шпинделя 30 – 60 тыс об/мин.

В соответствии с новыми выросшими требованиями к режимам обработки и возможностями оборудования, разрабатывается и новый инструмент. При этом зачастую сужается область его применения и универсальность. Важно знать, что для обеспечения наиболее эффективной работы инструменту необходимо обеспечить оптимальные условия. Отклонения от этих оптимальных условий резко снижают эксплуатационные свойства инструмента, такие как стойкость и производительность.

Например, для оптимальной работы современного инструмента скорость резания необходимо назначать:

  • стали и чугуна не ниже 100 м/мин, вместо 50 м/мин ранее;
  • легких сплавов не ниже 300 м/мин, вместо 100 м/мин ранее.

2. Новые задачи в машиностроении

Для сокращения затрат на изготовление и повышения качества изделий производители вкладывают огромные средства в НИОКР. На основании разработок фундаментальной и прикладной науки в промышленности появляются и внедряются новейшие разработки. Рассмотрим основные тенденции сложившиеся в области машиностроения, неразрывно связанные с ростом скоростей резания.

Введение. Процесс внедрения новых технологий

В настоящее время в машиностроении в целом можно выделить тенденции, определяющие общее развитие машиностроения в ближайшем будущем. В первую очередь стоит выделить бурное развитие научно-технического процесса, особое внимание к экономике и экологичности, внедрение ресурсосберегающих технологий.

Рассмотри появление новых продуктов на общедоступном рынке. Оно происходит следующим образом: на основании научных исследований, согласно Технических заданий требующих повышения эксплуатационных свойств изделий, непрерывно появляются и внедряются новые конструкционные материалы, на основании которых или для изготовления которых на промышленных предприятиях внедряются новые технологии, новые методы расчетов, ставящие перед металлорежущим инструментом новые задачи.

Повышение скоростей резания для обработки «легких» сплавов с учетом увеличения доли «легких» сплавов в машиностроении (на примере блока цилиндров автомобильного двигателя)

Одним из важнейших показателей изделия является его общий вес. Особенно этот показатель важен в таких областях машиностроения как авиастроение (снижение веса самолета позволяет увеличить его полезную нагрузку, т.е. перевозить больше груза) и автомобилестроение (снижение веса автомобиля влияет на расход топлива и соответственно положительно сказывается на экологических показателях, что наиболее важно в последнее время). Наиболее распространенным способом снижения веса деталей является широкое использование легких сплавов на основе алюминия, магния.

Использование легких материалов в автомобилестроении хорошо прослеживается при рассмотрении развития блока цилиндров.

На представленной картинке видно, что внедрение легких сплавов позволило снизить вес блока цилиндров более чем в 2 раза, при этом его эксплуатационные показатели так же значительно выросли.

В машиностроении наметилась общая тенденция повсеместного внедрения легких сплавов. На примере авиа-космической отрасли (как наиболее наукоемкой) можно увидеть тенденции по внедрению легких сплавов в ближайшем будущем.

Кроме удельного веса легкие сплавы отличаются и повышенной обрабатываемостью по сравнению с чугунами и сталями.

Что касается обработки легких сплавов современным инструментом, то подразумевается работа металлорежущего инструмента со скоростями 300 – 1 000 м/мин, т.е. при диаметре фрезы 12 мм для обеспечения ее оптимальной работы частота вращения шпинделя должна составлять 8 – 30 тыс об/мин. При этом уменьшение диаметра инструмента требует увеличения частоты вращения шпинделя.

Но и при применении черных металлов, их обрабатываемость имеет место при разработке и выборе материала. Так в одной известной автомобильной фирме при разработке технического задания на внедрение новых конструкционных материалов для замены серого и высокопрочного чугунов отдельным пунктом было выделено повышение обрабатываемости, т.е. увеличение скоростей резания и подач металлорежущего инструмента на 40 – 60 %. Как результат, широкое применение получили чугуны с повышенным содержанием магния ADI и CGI.

Увеличение частот вращения шпинделя для эффективного использования миниатюрного инструмента (миниатюризация изделий)

Кроме использования легких сплавов для повышения эксплуатационных показателей и снижения веса изделий широко используют новые методы расчета конструкций.

Применяемые новые методы расчета конструкций позволяют значительно сокращать вес и габариты изделий без потери их эксплуатационных свойств, но одновременно они усложняют конструкцию, предъявляя более жесткие требования к геометрическим параметрам деталей и физико-механическим свойствам материалов.

Как результат, возрастает сложность изделий, включая появление в изделиях мелких элементов, таких как каналы и перегородки. В добавок к этому, для обеспечения прочности конструкции встречаются случаи, когда необходимо изготовление монолитного изделия сложной конструкции. Особенно часто такое сочетание встречается при изготовлении различных несущих конструкций.


В данном случае существует единственная возможность обработки это использование миниатюрного инструмента, например фрезы малого диаметра или микро-фрезы. При этом важным фактором является продолжительность работы режущей кромки. Соответственно очевидным выбором является инструмент из современного материала.

Что касается фрез, то в данном случае для эффективной работы инструмента одновременно с уменьшением диаметра рабочей части фрезы необходимо увеличивать частоту вращения шпинделя. Именно так возможно создать оптимальные условия работы, в данном случае речь идет о скорости резания. Так как частота вращения шпинделя пропорциональна скорости резания и обратно-пропорциональна диаметру инструмента.

В современном машиностроении использование фрез малого диаметра (до 20 мм) уже достигла 75 – 80%.

В заключении стоит отметить, что повышение скорости резания также косвенным образом положительно сказывается на качестве обработанной поверхности, а именно при увеличении скоростей резания наблюдается незначительное улучшение чистоты поверхности.

Мы с благодарностью примем замечания и дополнения к этому материалу. Ждем от вас информацию на email info@systems-plus.ru

10.11.2022