Механическая обработка тугоплавких металлов высокой плотности (вольфрама, молибдена и тяжелых сплавов ВНЖ) на фрезерных станках с ЧПУ сопряжена с преодолением их экстремальной твердости и хрупкости при комнатной температуре. Высокий модуль упругости и склонность к межкристаллитному растрескиванию требуют применения специализированной алмазной и ультрамелкозернистой оснастки. В нашей практике локальный подогрев заготовок предотвращает сколы кромок.
Термомеханические характеристики вольфрама и сплавов группы ВНЖ
Чистый вольфрам обладает температурой плавления свыше трех тысяч четырехсот градусов Цельсия и плотностью более девятнадцати грамм на кубический сантиметр. Порог хладноломкости чистого вольфрама лежит в диапазоне от двухсот пятидесяти до четырехсот градусов. В тяжелых сплавах ВНЖ добавки никеля и железа формируют пластичную матрицу. А контроль исходной микроструктуры заготовки исключает поломку инструмента при первом врезании.
Сравнительные физико-механические параметры тугоплавких материалов:
- Вольфрам чистый В-МП: твердость до 450 HV, температура вязко-хрупкого перехода +350 °C.
- Сплав ВНЖ-95 (95% W, Ni-Fe): твердость 300–340 HB, предел прочности 900 МПа.
- Молибден чистый МЧ: твердость 220–250 HB, относительное удлинение до 15% при 20 °C.
Высокая плотность тугоплавких сплавов требует массивных зажимных приспособлений.
Специфика разрушения кристаллической решетки при резании
При механическом воздействии лезвия на холодный металл происходит хрупкое микроскалывание зерен с образованием сети микротрещин вдоль границ кристаллитов без образования пластической стружки. В нашем цехе для перевода зоны резания в квазипластичное состояние заготовку подогревают индукционным нагревателем до температуры триста градусов.
Локальный термоподогрев снижает сопротивление сдвигу в четыре раза без окисления структуры.
Для предотвращения окисления молибдена при нагреве свыше четырехсот градусов зону обработки защищают струей газообразного аргона.
Подобрать оборудование под вашу задачу
Применение ультрамелкозернистых сплавов и поликристаллического алмаза PCD
Фрезерование тугоплавких заготовок выполняется фрезами из безвольфрамовых твердых сплавов или ультрамикрозернистых карбидов с пластинами из поликристаллического алмаза PCD. Острая режущая кромка с радиусом округления менее двух микрон и положительный передний угол снижают контактные напряжения. При этом алмазное покрытие DLC предотвращает схватывание молибдена с телом инструмента.
Расчет контактного давления на режущую кромку при микрофрезеровании вольфрама:
\[\sigma_{cont} = \frac{F_{z}}{b \cdot h_{m}} = \frac{C_{p} \cdot a_{p}^{x} \cdot f_{z}^{y}}{b \cdot f_{z} \cdot \sin(\kappa)}\]
где предел контактной прочности алмазного резца PCD превышает четыре тысячи мегапаскалей.
| Материал заготовки | Инструментальный материал | Скорость резания Vc | Подача на зуб fz |
|---|---|---|---|
| Сплав ВНЖ-90 / ВНЖ-95 | Твердый сплав ультрамикрозерно | 40 – 70 м/мин | 0.03 – 0.06 мм/зуб |
| Чистый молибден МЧ | Твердый сплав с TiAlN | 60 – 110 м/мин | 0.04 – 0.08 мм/зуб |
| Чистый вольфрам (с подогревом) | Поликристаллический алмаз PCD | 80 – 140 м/мин | 0.02 – 0.04 мм/зуб |
Стратегии фрезерования с микроподачей и попутным врезанием
Черновая и чистовая обработка вольфрамовых блоков ведется исключительно попутным фрезерованием с малой радиальной глубиной резания не более пяти процентов от диаметра инструмента. Встречное резание вызывает выкрашивание кромок детали из-за эффекта отжима. А высокоскоростные траектории с постоянной толщиной стружки исключают динамические удары по хрупкому металлу.
Плавный спиральный подвод инструмента в материал предотвращает разрушение торцевых зубьев.
| Параметр траектории | Рекомендуемое значение | Назначение параметра |
|---|---|---|
| Угол спирального врезания | 0.5 – 1.5 градуса | Исключение осевого удара при заглублении |
| Радиальный шаг (ae) | 3 – 6 % от диаметра D | Снижение тепловыделения в теле фрезы |
| Радиус скругления углов | Не менее 1.0 мм | Плавное изменение вектора сил подачи |
Технические критерии контроля кромок и микрорастрескивания
Контроль качества изготовленных деталей из тугоплавких металлов включает стопроцентную капиллярную или люминесцентную дефектоскопию для выявления скрытых микротрещин. Наличие краевых сколов размером более двадцати микрон является браковочным признаком для деталей радиационной защиты и коллиматоров. А своевременная переточка алмазных фрез обеспечивает стабильный класс чистоты поверхности Ra 0.4.
Практический цеховой протокол безопасного фрезерования вольфрамовых сплавов:
- Жесткая фиксация заготовки в прецизионных тисках с медными прокладками для демпфирования.
- Предварительный равномерный подогрев заготовки до рабочей температуры 280–320 °C.
- Запуск высокоскоростной попутной выборки с непрерывной подачей масляного тумана MQL.
- Оптический контроль состояния вершин пластин через каждые десять минут резания.
Соблюдение данного протокола полностью исключает образование микротрещин в дорогостоящем сырье.
