ДРУЗЬЯ, СПЕЦИАЛЬНО ДЛЯ ИЛЛЮСТРАЦИИ ДАННОЙ СТАТЬИ В РАЗДЕЛЕ ВИДЕО МЫ ВЫЛОЖИЛИ ВИДЕО-ФАЙЛЫ, В КОТОРЫХ ПОДРОБНО РАССКАЗАЛИ И ПОКАЗАЛИ ЦЕХА, В КОТОРЫХ ПРОИСХОДИТ КАЖДЫЙ ИЗ ОПИСАННЫХ ЭТАПОВ ПРОИЗВОДСТВА) НАДЕЕМСЯ, ВАМ БУДЕТ ИНТЕРЕСНО)
История применения твердого сплава в качестве металлорежущего инструмента начинается с XX века. До этого времени самым распространенным материалом для обработки конструкционных и нержавеющих сталей, а также чугуна, была быстрорежущая сталь. Уже в начале XX века металлорежущие станки могли выдавать достаточно высокие скорости резания и подачи, казалось бы, что чем быстрее обработка, тем меньше затрат и себестоимость деталей. Но все оказалось не так радужно и просто. Развитие металлообработки уперлось в потолок, так как при увеличении скорости резания происходит и увеличение выделения тепла в зоне резания. Инструменты из быстрорежущих сталей не могли сопротивляться огромному теплу, выделяемому при обработке сталей: они либо быстро выходили из строя, либо станкам приходилось работать на заниженных режимах резания, что нивелировало их преимущества. Конечно же, химики и материаловеды пытались разрешить эту проблему и выпускали различные модифицированные быстрорежущие стали, которые все равно так и не способны были работать на высоких скоростях и подачах. Казалось бы, что это предел технических возможностей в металлообработке, но все изменилось благодаря обыкновенной лампочке накаливания. Именно она позволила преодолеть технический тупик в металлообработке. В лампочках накаливания используется вольфрамовая нить, она прекрасно сопротивляется теплу и имеет высокую твердость.
Немецкая группа компаний, предпринимателя Фридриха в 1925 году купила патент у одного из производителей электрических лампочек. Благодаря наличию этого патента, появилась возможность использовать карбид вольфрама в качестве напаек режущего инструмента. Это оказалась очередная революция в металлообработке. С момента первого применения твердого сплава в металлообработке уже прошло почти 98 лет. Первые инструменты с твердосплавными напайками содержали 94% карбида вольфрама и 6% кобальта. Твердосплавные вставки на то время имели не виданную твердость и теплостойкость, поэтому они получили название алмазных вставок. Очень долгое время компания Фридриха скрывала состав и технологию производства твердого сплава от конкурентов. Все конкуренты пытались повторить и воспроизвести технологию получения таких напаек, но на протяжении длительного периода не могли этого сделать, так как они все думали, что это быстрорежущая сталь с улучшенными свойствами. Следующим новаторством в металлообработке было появление сменных твердосплавных пластин.
Производство твердосплавных пластин – это сложная и длинная высокотехнологическая цепочка процессов, которая не прерывно совершенствуется: начинается она с добывания основных компонентов, из которых состоят твердосплавные пластины. Как уже обсуждали ранее. твердосплавные пластины состоят из карбида вольфрама и кобальта. Карбид вольфрама является основным веществом в твердосплавных пластинах (порядка 95-96%), он является теплостойким и твердым, благодаря ему твердый сплав является более износостойким и термостойким. Кобальт является своим родом клеем, благодаря которому связываются частицы карбида вольфрама между собой.
Кобальт и вольфрам добывают на рудниках и первоначально они выглядят как большие глыбы. Основным поставщиком кобальта на мировой рынок является Демократическая Республика Конго, а вольфрама – Вьетнам, Китай, Канада, Россия и другие страны. После добычи сырья, оно доставляется на специальные перерабатывающие комбинаты, на которых происходит промывка, сушка руды и ее перемалывание в порошок. После перемалывания, вольфрам подвергается так называемому науглероживанию. Вольфрам насыщают углеродом в специальных печах, и получается карбид вольфрама, который и используется в качестве основного вещества при изготовлении твердосплавных пластин. После этого готовые порошки попадают на заводы по изготовлению твердосплавных пластин. Одним из таких заводов является завод ОКЕ Precision Cutting Tools, который входит в тройку самых крупных заводов Китая. На его примере мы постараемся рассказать и показать современное производство твердосплавных пластин.
Уже на заводе, порошки еще раз просеивают, просушивают, и помещают в специальные барабаны для смешивания. Так как сам карбид вольфрама плохо поддается прессованию (малопластичен, и рассыпчат) поэтому в смесь добавляют дополнительные вещества, например, воск, парафин, каучук, этиленгликоль, бензин и т.д. Замес порошка происходит в вакуумном барабане при постоянной температуре. Благодаря такому замешиванию, порошок приобретает способность склеиваться под воздействием давления, при этом имеет рассыпчатую консистенцию муки. Сразу хотелось бы сказать, что на протяжении всей технологической цепочки производства твердосплавных пластин в цехах поддерживается постоянная температура 23-25 градусов Цельсия, а также постоянная влажность. Это сделано для того, чтобы порошок, а в последствии и заготовки пластин не впитывали или не отдавали лишнюю влагу.
Бренд ОКЕ Precision Cutting Tools является одним из крупнейших в Китае, в его состав входит несколько заводов, (на данный момент еще один вводится в эксплуатацию). Технологическая цепочка изготовления пластин на всех заводах идентична, разница только. что в новых заводах в еще большем количестве оборудование, новые модели печей и станков пресс-автоматов, мощность которых составляет порядка 40-50 тонн. В пресс-автоматы устанавливают пресс-формы получаемых пластин и загружают готовый к прессованию порошок. В пресс-формах формируется стружколом, центральное отверстие и внешняя форма пластины. На выходе из пресс-автомата пластины складываются как бы на большой поддон. Весь процесс автоматизирован и требует минимального участия человека, и то, только в качестве наладчика или оператора.
Поддоны с заготовками пластин ставят друг на друга и пакетом загружаются в специальные печи, где пластины проходят сушку при температуре 165 градусов Цельсия. Благодаря этой сушке из смеси испаряется воск и спирт, но заготовки пластин остаются все еще хрупкими и при нажатии легко разрушаются. Чтобы заготовки пластин стали твердыми и имели однородную структуру, их помещают в специальные герметичные печи. Такой процесс называется спеканием. Первая стадия спекания происходит в вакууме, благодаря этому в структуре пластины исчезают поры и пузырьки, на второй стадии камера печи заполняется аргоном. Причем аргон заполняется под давлением 10-12 МПа, в результате чего пластины доспрессовываются со всех сторон, убираются кратеры и пузырьки, структура материала становится однородной. Благодаря разным фазам нагрева и выдержке при разных температурах, получаем твердосплавную пластину с необходимыми характеристиками. Процесс спекания очень ответственный этап в изготовлении пластин, так как при нагревании пластин начинается рост зерен карбида вольфрама и кобальта, а как мы знаем, чем больше зерно, тем пластина быстрее изнашивается. Поэтому процесс нагрева и охлаждения в печи является не линейным (нагрели, а потом остудили), а ступенчатым (нагрели, подождали, потом опять нагрели, подождали и т.д.). Для таких операций на заводе ОКЕ установлены собственные высокочувствительные вакуумные печи с ЧПУ. После спекания, пластины становятся твердыми и имеют заданную микроструктуру. Также после спекания, происходи предварительная операция шлифовки. Это связано с тем, что радиус при вершине пластины слегка острый, пластины помещаются в специальную чистящуюся машину и легким касанием ворсинок пластины становятся ровнее.
После спекания, пластины отправляются на шлифование. На этом этапе пластины шлифуются по базовым плоскостям (по плоскостям, которые соприкасаются с посадочным местом в корпусе инструменте), а также при необходимости по задним и передним углам. Пластины укладываются на специальные кассеты - подносы и загружаются в шлифовальные станки, где им придают окончательные размеры. Это трудоемкий процесс, т.к. каждую пластинку надо установить в определенное посадочное место формы. Эта операция монотонная, поэтому на заводах ОКЕ ее выполняют автоматические манипуляторы, которые распознают положение пластин на подносе, а затем их раскладывают в специальные формы для последующей шлифовки.
После операции шлифовки, пластины отправляются на мойку, где они промываются в специальном растворе с ультразвуком. После мойки, пластины отправляются в гальванические цеха для нанесения защитных покрытий.
Большой скачек в металлообработке произошел после 70х годов XX века с появлением твердосплавных пластин с покрытием. Первые пластины с покрытием появились еще в 1969г они имели дополнительную тепловую защиту, которая значительно увеличивала стойкость твердосплавных пластин. На данный момент существует множество типов покрытий, предназначенных для обработки различных материалов. Два самых распространенных типа покрытий: CVD - химическое осаждение из паровой фазы и PVD – физическое осаждение паровой фазы. В настоящий момент на заводах ОКЕ по производству твердосплавных пластин, применяются и CVD и PVD покрытие. В зависимости от типа покрытия, пластины отправляются в специализированные гальванические цеха, где для каждого типа покрытия применяется свой тип оборудования.
При CVD покрытии, пластины размещают на специальных приспособлениях, а затем устанавливают в специальную герметичную печь. В печь подаются газы, температура которых составляет от 800 до 1100 градусов Цельсия, благодаря химическим реакциям, на твердосплавные пластины осаждается защитная пленка, которая и является защитным покрытием. Время покрытия одной партии составляет до 30 часов (чем толще требуется покрытие, тем дольше проходит реакция в камере), а толщина CVD покрытия может варьироваться от 2 до 20 мкм.
При PVD покрытии, пластины точно так же размещают на специальные приспособления, а затем помещают в специальную печь. Здесь уже процесс проходит при температуре 500 градусов Цельсия, и толщина покрытия составляет 2-6мкм. В камеру так же подаются газы, но они конденсируются на твердосплавных пластинах (как влажный воздух превращается в воду). PVD покрытие является очень тонким, что позволяет делать режущие кромки инструмента очень острыми и прочными.
После покрытия, пластины просушиваются, промываются, опять просушиваются и проходят контроль, после чего и фасуются по коробочкам и отправляются на центральный склад. Вообще, мы практически не затронули одну из наиглавнейших операций в процессе изготовления твердосплавных пластин – это операция контроля! Контроль пластин осуществляется на каждой операции, до и после. Пластины проходят как визуальный контроль рабочим, так и автоматическими оптическими системами, поэтому пластины имеют одинаковые размеры, как по внешним размерам, так и по геометрии стружколома.
Вот такой сложный процесс изготовления твердосплавных пластин. Казалось бы, уже прошло почти 100 лет со дня использования твердого сплава в качестве металлорежущего инструмента, но технологический процесс изготовления пластин все еще оттачивается и улучшается! Как говорится, нет предела совершенству.
Всем большое спасибо, что дочитали статью! Мы постарались, чтобы Вам было интересно и познавательно. В своем блоге в разделе ВИДЕО мы покажем видео с цехов завода расскажем подробнее о этапах производства пластин и их тонкостях. Видео записаны на двух заводах бренда ОКЕ Precision Cutting Tools в Китае, являются любительскими и предназначены только для того, чтобы дать более четкое представление о технологической цепочке изготовления твердосплавных пластин. Если вам интересна тема производства твердосплавного инструмента, пишите в комментариях ваши вопросы. При возможности, мы обязательно расскажем и обсудим актуальные для вас вопрос.