Износ металлорежущего инструмента увеличивает погрешность на размер, влияет на качество обрабатываемой поверхности, увеличивает силы резания приводит к искажению поверхностного слоя детали.Износ и технологический период стойкости инструмента можно уменьшить за счет применения прогрессивных материалов и сборных инструментов оснащенных сменными многогранными пластинами.

Процесс резания сопровождается большим давлением на режущий инструмент, трением и тепловыделением. Такие условия работы выдвигают ряд требований, которым должны удовлетворять материалы, предназначенные для изготовления режущего инструмента.

Инструментальные материалы должны иметь высокую твердость, превышающую твердость обрабатываемого материала. Высокая твердость материала режущей части может быть обеспечена физико-механическими свойствами материала (алмазы, карбиды кремния, карбиды вольфрама и др.) или

его термической обработкой (закалка и отпуск).

В процессе резания срезаемый слой давит на переднюю поверхность инструмента, создавая в пределах площади контакта нормальное напряжение. При резании конструкционных материалов с установленными режимами резания нормальные контактные напряжения могут достигать значительных величин. Режущий инструмент должен выдерживать такие давления без хрупкого разрушения и пластического деформирования. Так как режущий инструмент может работать в условиях переменных значений сил, например из-за неравномерно снимаемого слоя металла заготовки, важно, чтобы инструментальный материал сочетал в себе высокую твердость с сопротивляемостью на сжатие и изгиб, обладал высоким пределом выносливости и ударной вязкостью. Таким образом, инструментальный материал должен отличаться высокой механической прочностью.

При резании со стороны заготовки на инструмент действует мощный тепловой поток, в результате чего на передней поверхности инструмента устанавливается высокая температура. При этом режущие элементы инструмента теряют свою твердость и изнашиваются из-за интенсивного разогревания. Поэтому важнейшим требованием, предъявляемым к инструментальному материалу, является его высокая теплостойкость – способность сохранять при нагреве твердость, необходимую для осуществления процесса резания.

Перемещение стружки по передней и задней поверхностям резания инструмента при высоких контактных напряжениях и температурах приводят к изнашиванию рабочих поверхностей. Таким образом, высокая износостойкость – важнейшее требование, предъявляемое к характеристике инструментального материала. Износостойкость – это способность инструментального материала сопротивляться при резании удалению его частиц с контактных поверхностей инструмента. Она зависит от твердости, прочности и теплостойкости инструментального материала.

Инструментальный материал должен обладать высокой теплопроводностью. Чем она выше, тем меньше опасность возникновения шлифовочных ожогов и трещин.

В промышленности используется большое количество инструмента, что требует соответствующего расхода инструментального материала. Инструментальный материал должен быть по возможности дешевым, не содержать дефицитных элементов, что не будет увеличивать стоимость инструмента и, соответственно, стоимость изготовления деталей.

В соответствии с химическим составом и физико-механическими свойствами инструментальные материалы делят на :

углеродистые инструментальные стали;

легированные инструментальные стали;

быстрорежущие стали и сплавы (высоколегированные);

твердые сплавы;

минералокерамику;

абразивные материалы;

алмазные материалы.

Наиболее распространенными из углеродистых инструментальных материалов являются марки: У9А, У10А, У12А, У13А.

Маркировка углеродистых инструментальных сталей расшифровывается так: буква «У» означает, что сталь углеродистая; цифра указывает на содержание в ней углерода в десятых долях процента; буква «А» говорит о том, что сталь высококачественная.

Углеродистые стали из-за отсутствия легирующих химических элементов хорошо шлифуются и являются дешевым инструментальным материалом. Вместе с тем инструмент, изготовляемый из углеродистой стали, сравнительно быстро изнашивается и теряет твердость, полученную при закалке.

Из этих сталей изготовляют инструменты малых габаритных размеров для работы по мягким материалам с малой скоростью резания. Из сталей марок У7А, У7, У8А, У8, У8ГА, У9А и У9 производят различные слесарные и кузнечные инструменты, инструменты для обработки дерева, кожи и др. Из этих же марок сталей изготовляют державки и корпуса инструментов, оснащенных пластинками из твердого сплава.

Легированные инструментальные стали получаются путем добавления в углеродистые стали небольшого количества легирующих элементов: хрома (Х), вольфрама (В), ванадия (Ф), кремния (С), марганца (Г). Наибольшее применение при изготовлении инструментов нашли стали марок ХВ5, ХВГ, 9ХС.

Сталь ХВ5 после термообработки приобретает весьма высокую твердость (HRC 67…67), плохо прокаливается, но по прочности не уступает стали У12А, но из-за большой твердости обладает высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. Для изготовленных из нее инструментов характерна высокая формоустойчивость лезвий. Эта сталь применяется для изготовления инструментов, работающих при небольших скоростях резания.

Сталь ХВГ после закалки и отпуска приобретает твердость HRC 63…65 и достаточно высокую вязкость, отличается малыми объемными изменениями при закалке, хорошо прокаливается, но имеет пониженное сопротивление малым пластическим деформациям. Инструмент, изготовленный из этой стали, мало деформируется и хорошо поддается правке.

Сталь 9ХС после термообработки приобретает твердость HRC 63…64. Она обладает хорошей закаливаемостью. Инструмент из этой стали малодеформируется. Сталь также малочувствительна к перегреву. Сталь 9ХС особо пригодна для изготовления инструментов с тонкими режущими элементами.

Высоколегированные инструментальные (быстрорежущие) стали и сплавы получаются при добавлении в углеродистую сталь большого количества легирующих элементов: вольфрама, ванадия, молибдена, хрома. Введением в сталь вольфрама, ванадия, молибдена и хрома в значительных количествах получают сложные карбиды, связывающие почти весь углерод, что обеспечивает возрастание теплостойкости быстрорежущей стали.

В отличие от углеродистых и легированных инструментальных сталей быстрорежущие стали обладают более высокими твердостью, прочностью, тепло- и износостойкостью, сопротивлением малым пластическим деформациям, хорошей прокаливаемостью. Благодаря высокой теплостойкости быстрорежущих сталей инструменты, изготовленные из этих сталей, работают со скоростями резания, в 2,5…3 раза более высокими, чем те, которые при равной стойкости допускают углеродистые инструменты. По уровню теплостойкости быстрорежущие стали разделяют на:

стали нормальной теплостойкости (Р18, Р9, Р12, Р6М3 и Р6М5);

стали повышенной теплостойкости, легированные ванадием (ванадиевые стали Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5) и кобальтом (кобальтовые стали Р9К5, Р9К10);

высоколегированные стали и сплавы высокой теплостойкости (быстрорежущие стали повышенной прочности) – безуглеродистые сплавы (Р18М3К25, Р18М7К25 и Р10М5К25), отличающиеся содержанием вольфрама и молибдена.

Кроме традиционных быстрорежущих сталей, получаемых плавкой, в последнее время освоено производство порошковых быстрорежущих сталей, имеющих более высокие режущие свойства за счет особой мелкозернистой структуры. Такие стали позволяют получить лезвия с очень малым начальным радиусом округления режущей кромки.

Широкое применение быстрорежущей стали при изготовлении самых разных инструментов объясняется ее хорошими режущими и технологическими свойствами. Из быстрорежущих сталей изготовляют различные режущие инструменты, в том числе и фрезы для обработки древесных и композиционных материалов. Ввиду высокой стоимости быстрорежущих сталей, их, в основном, применяют при изготовлении сборного инструмента в виде режущих пластин.

Твердые сплавы. Помимо сборного инструмента, с пластинами из быстрорежущих сталей широкое распространение получили конструкции фрез, оснащенных твердым сплавом. В отличие от углеродистых, легированных и быстрорежущих сталей, производимых методом выплавки в электроплавильных печах с последующей прокаткой, твердые сплавы получают металлокерамическим методом порошковой металлургии (спечением). Исходными материалами для изготовления твердых сплавов являются порошки карбидов тугоплавких металлов: вольфрама, титана, тантала и не образующего карбидов кобальта. Порошки смешивают в определенных пропорциях, прессуют в формах и спекают при температуре 1500…2000 0 С. При спекании твердые сплавы приобретают высокую твердость и в дополнительной термической обработке не нуждаются.

Карбиды вольфрама, титана и тантала обладают высокими тугоплавкостью и твердостью. Они образуют режущую основу сплава, а кобальт, по сравнению с карбидами вольфрама, титана и тантала, значительно мягче и прочнее, и поэтому в сплаве он является связкой, цементирующей режущую основу. Увеличение количества карбидов вольфрама, титана, тантала приводит к увеличению твердости и теплостойкости сплава и снижает его механическую прочность. При увеличении содержания кобальта твердость и теплостойкость сплава снижаются, но возрастает его прочность.

Промышленность выпускает четыре группы твердых сплавов:

вольфрамовые однокарбидные (ВК), спекаемые из карбида вольфрама и кобальта: ВК2, ВК3М, ВК4, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В;

вольфрамовые двухкарбидные (титановольфрамовые ТК), спекаемые из карбида вольфрама, карбида титана и кобальта: Т30К4, Т5К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В;

вольфрамовые трехкарбидные (титанотанталовольфрамовые ТТК), спекаемые из карбида титана, карбида тантала и карбида вольфрама и кобальта: ТТ7К12;

безвольфрамовые (ТНТ – КНТ), спекаемые из карбида титана (ТНТ), нитрида титана (КНТ), никеля и молибдена.

Различные физико-механические и режущие свойства инструментов определяются химическим составом марок твердых сплавов. Основные свойства твердых сплавов представлены в табл. 1. 2 .

Сплавы группы ВК используют для обработки хрупких материалов.

Таблица 1.2

Основные свойства твердых сплавов

Свойства	ВК	ТК	ТТК	ТНТ – КНТ
Плотность, кг/м 3	12900… 15300	10100… 13600	12000… 13800	5500… 9500
σ изг, МПа	1180…2450	1170…1770	12500…17000	400…1750
Микротвердость, МПа	8,8…16,2	11,3…21,6	13,9…14,4	~ 18
Температура эксплуатации, 0 С	~ 500	~ 900	~ 1000	~ 800

Сплавы группы ТК обладают высокими износо- и теплостойкостью, но более хрупкие, чем сплавы группы ВК. Основные свойства и химический состав некоторых сплавов группы ВК представлены в табл. 1. 3 .

Сплавы группы ТТК по применяемости универсальны и годятся для обработки многих конструкционных материалов. Сплавы отличаются меньшей хрупкостью, большей прочностью удержания карбидной фазы, лучшей сопротивляемостью высокотемпературной текучести и большим пределом прочности при циклическом характере нагружения, чем сплавы ТК и ВК. Поэтому, инструмент, оснащенный пластинами из ТТК, особенно эффективен в процессах прерывистого резания. В этих случаях повышенная прочность сплавов ТТК компенсирует их пониженную теплостойкость. Основные свойства и химический состав некоторых сплавов групп ТК и ТТК представлены в табл. 1. 4 .

Таблица 1.3

Основные свойства и химический состав некоторых сплавов группы ВК

Марка сплава	WC, %	TiC, %	TaC, %	Co, %	σ изг, МПа	HRA		σ сж, МПа	НВ	Свойства
ВК2					1100		15,2	416		Высокая износост.
ВК3					1100		16,2
ВК3М
ВК6					1450		14,8	460		Выше, чем у ВК2, ВК3М
ВК6М					1500		14,8			Зерна крупные, износост. ниже
ВК8
ВК10					1700		14,8		366
ВК25					2000	83,5	13,0		370

Важнейшими правилами при выборе марки твердого сплава в пределах каждой группы являются:

при тяжелых условиях работы инструмента в силовом отношении твердый сплав должен содержать достаточно большой процент кобальта;

чем легче силовой режим работы, тем больше в сплавах должно содержаться карбидов титана и вольфрама.

Для изготовления режущих инструментов твердые сплавы поставляют в виде пластинок определенной формы и размеров.

Твердые сплавы в форме пластинок соединяют с крепежной частью пайкой или с помощью специальных высокотемпературных клеев. Многогранные твердосплавные пластины закрепляют прихватами, винтами, клиньями и др.

Таблица 1.4

Основные свойства и химический состав некоторых сплавов групп ТК и ТТК

Марка сплава	WC , %	TiC , %	TaC , %	Co , %	σ изг, МПа	HRA		σ сж, МПа	Свойства
Т30К4					900		9,7		Высокая износост. сопротивл. ударным нагрузкам
Т15К6					1159		11,3	3900	Высокая износост.
Т5К10					1385		13,0	4000	Сопротивл. выше, чем у Т14К8
ТТ7К12					1600		13,0		Увелич. V р в 2 раза (по срав. с БРС
ТТ10К8Б					1400		13,6		Умеренная износост., высокая экспл. прочность

Мелкоразмерные твердосплавные инструменты изготовляют в виде припаиваемых к хвостовикам твердосплавных стержней и коронок или целиком из твердого сплава.

Наряду с вольфрамовыми твердыми сплавами существуют также сплавы, не содержащие карбида вольфрама, и называются безвольфрамовыми твердыми сплавами.

Причиной полной или частичной замены карбида вольфрама другими твердыми материалами послужил дефицит вольфрама в качестве сырья для получения металлокерамических твердых сплавов.

Полная замена карбида вольфрама может осуществляться тремя путями :

Применение других твердых материалов, например нитридов, боридов, силицидов, окислов или карбидов неметаллов (карбидов бора и кремния);

Замена карбида вольфрама другими тугоплавкими карбидами металлов (карбидами ниобия, циркония, гафния, ванадия и др.) или их бинарными или тройными твердыми сплавами;

Простое исключение карбида вольфрама из состава твердого сплава.

Безвольфрамовые твёрдые сплавы по сравнению с вольфрамовыми имеют меньшую прочность на изгиб, но обладают более высокой твёрдостью и низкой схватываемостью со сталями. Инструменты из этих сплавов работают по сталям практически без наростообразования, что и определяет область их применения (чистовое и получистовое точение и фрезерование малолегированных, углеродистых сталей, чугуна и цветных сплавов). Износостойкость в 1,2 - 1,5 раза выше, чем у сплавов группы ТК. Основные физико-механические свойства безвольфрамовых твердых сплавов представлены в табл. 1. 7 .

Таблица 1.5

Физико-механические свойства безвольфрамовых твердых сплавов

Марка твердого сплава	Плотность, г/см 3	σ изг, МПа	σ сж, МПа	Твердость, HRA	Модуль упругости·10 3 МПа	Величина зерна, мкм
ТМ3	5,9	1150	3600		410
ТН-20	5,5	1000	3500	89,5	400	1-2
ТП-50	6,2	1250		86,5
КНТ-16	5,8	1150	3900		440	1,2-1,8
МНТ-А2	5,5	1000

Недостатком является то, что безвольфрамовые твердые сплавы плохо поддаются пайке и заточке вследствие неудовлетворительных термических свойств и поэтому применяются в основном в виде неперетачиваемых пластин.

Материалом для изготовления инструментов может служить также минералокерамика, представляющая собой кристаллический оксид алюминия (Al 2 O 3 ). Широкое распространение получила минеральная керамика марки ЦМ-332.

В результате спекания минералокерамика становится поликристаллическим телом, которое состоит из мельчайших кристаллов корунда и межкристаллитной прослойки в виде аморфной стекловидной массы. Минералокерамика является дешевым и доступным инструментальным материалом, так как не содержит дефицитных и дорогих элементов, являющихся основой инструментальных сталей и твердых сплавов.

Кроме того, минералокерамика обладает высокой твердостью и исключительно высокой теплостойкостью. По теплостойкости минеральная керамика превосходит все распространенные инструментальные материалы, что позволяет минералокерамическому инструменту работать со скоростями резания, значительно превышающими скорости резания твердосплавных инструментов, и что является основным достоинством минеральной керамики.

Вместе с указанными достоинствами минералокерамики она имеет недостатки, ограничивающие ее применение: пониженную прочность на изгиб, низкую ударную вязкость, исключительно низкую сопротивляемость циклическому изменению тепловой нагрузки. В результате этого при прерывистом резании на контактных поверхностях инструмента возникают температурные усталостные трещины, являющиеся причиной преждевременного выхода инструмента из строя.

Низкая прочность на изгиб и высокая хрупкость минеральной керамики позволяют использовать ее лишь в инструментах для обработки конструкционных материалов на чистовых операциях с непрерывным точением и с малыми сечениями срезаемого слоя при отсутствии толчков и ударов.

Режущий инструмент оснащается пластинками из минералокерамики определенных форм и размеров. Пластинки крепятся к корпусу инструментов припаиванием, приклеиванием и механическим путем.

Все шире в деревообработке применяют алмазные и сверхтвердые материалы, которые можно разделить на три разновидности:

природные и синтетические алмазы в виде моно- и поликристаллов;

кубический нитрид бора, в виде моно- и поликристаллов;

синтетические поликристаллические композиционные материалы (композиты), получаемые путем синтеза или спекания.

Природные алмазы представляют собой особую группу материалов для оснащения режущих инструментов.

Разновидностями алмаза являются: баллас, карбонадо, борт. Полезным свойством алмазов является, в первую очередь, исключительно высокая их твердость. Высокая теплопроводность, намного превышающая теплопровод-

ность всех известных инструментальных материалов, и малый коэффициент линейного расширения алмаза позволяют проводить алмазным инструментом точную размерную обработку. Низкий коэффициент трения об обрабатываемый материал и малая склонность к адгезии обеспечивают при резании алмазными инструментами малую шероховатость поверхности.

В промышленности используют как природные (марки А), так и синтетические алмазы (марок АСО, АСР, АСВ и др.). Синтетические алмазы получают из графита и углеродистых веществ. Разновидности природного алмаза: борт и карбонадо – используют только в промышленности.

К синтетическим сверхтвердым материалом того же назначения, что и алмаз, относят кубический нитрид бора (эльбор). Он образуется в результате химического соединения бора и азота. Твердость эльбора ниже, чем алмаза, однако по теплостойкости кубический нитрид бора превосходит алмаз, но по теплопроводности примерно в 3 раза ниже его. Производство крупных поликристаллических образований кубического нитрида бора диаметром 3…4 и длиной 5…6 мм, обладающих высокой прочностью, позволяет оснащать им режущий инструмент.

Основные требования к инструментальным материалам следующие:

1. Инструментальный материал должен иметь высокую твердость в состоянии поставки или достигаемую в результате его термической обработки – не менее 63…66 HRC по Роквеллу.

2. Необходимо, чтобы при значительных температурах резания твердость поверхностей инструментов существенно не уменьшалась. Способность материала сохранять высокую твердость при повышенных температурах и исходную твердость после охлаждения называется теплостойкостью. Инструментальный материал должен обладать высокой теплостойкостью.

3. Наряду с теплостойкостью, инструментальный материал должен иметь высокую износостойкость при повышенной температуре, т.е. обладать хорошей сопротивляемостью истиранию обрабатываемым материалом.

4. Важным требованием является достаточно высокая прочность инструментального материала. Если высокая твердость материала рабочей части инструмента сопровождается значительной хрупкостью, это приводит к поломке инструмента и выкрашиванию режущих кромок.

5. Инструментальный материал должен обладать технологическими свойствами, обеспечивающими оптимальные условия изготовления из него инструментов. Для инструментальных сталей – это хорошая обрабатываемость резанием и давлением; благоприятные особенности термической обработки; хорошая шлифуемость после термической обработки. Для твердых сплавов особое значение приобретает хорошая шлифуемость, а также отсутствие трещин и других дефектов, возникающих в твердом сплаве после припайки пластин, при шлифовании и заточке инструмента.

ВИДЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ.

Ранее всех материалов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А … У13, У 13А. Кроме железа они содержат 0,2…0,4 % марганца, обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но их теплостойкость невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200…250°С) их твердость резко уменьшается.

Легированные инструментальные стали по своему химическому составу отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца, или наличием одного или нескольких легирующих элементов: хрома (увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость материала, понижает его пластичность); никеля (повышает прочность, пластичность, ударную вязкость, прокаливаемость материала); вольфрама (повышает твердость и теплостойкость материала); ванадия (повышает твердость и прочность материала, способствует образованию мелкозернистой структуры); кобальта (увеличивает ударную вязкость и жаропрочность материала); молибдена (повышает упругость, прочность, теплостойкость материала). Для режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами – лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонностью к короблению, но теплостойкость их практически равна теплостойкости углеродистых сталей 350…400°С и поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, развертки).

Быстрорежущие инструментальные стали. Из группы высоколегированных сталей для изготовления режущих инструментов используются быстрорежущие стали с высоким содержанием вольфрама, молибдена, кобальта, ванадия. Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы.

К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамовые Р18, Р12, Р9 и вольфрамомолибденовые Р6М5, Р6М3, Р8М3. Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63…66HRC, предел прочности при изгибе 2900…3400Мпа, ударную вязкость 2,.7…4,8 Дж/м 2 и теплостойкость 600…650°С. Они используются при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс. Иногда применяются быстрорежущие стали, дополнительно легированные азотом (Р6АМ5, Р18А и др.), которые являются модификациями обычных быстрорежущих сталей. Легирование азотом повышает режущие свойства инструмента на 20…30%, твердость – на 1 – 2 единицы HRC.

Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода – 10Р8М3, 10Р6М5; ванадия – Р12Ф3, Р2М3Ф8; Р9Ф5; кобальта – Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9К5, Р9К10, Р9М4К8Ф, 10Р6М5Ф2К8 и др.

Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 66…70HRC, они имеют более высокую теплостойкость (до 620…670°С). Это дает возможность использовать их для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности и закаленных. Период стойкости инструментов из таких сталей в 3 – 5 раз выше, чем из сталей Р18, Р6М5.

Стали высокой теплостойкости характеризуются пониженным содержанием углерода, но весьма большим количеством легирующих элементов – В11М7К23, В14М7К25, 3В20К20Х4Ф. Они имеют твердость 69…70HRC, и теплостойкость 700…720°С. Наиболее рациональная область их использования – резание труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов. В последнем случае период стойкости инструментов в 30 – 80 раз выше, чем из стали Р18, и в 8 – 15 раз выше, чем из твердого сплава ВК8. При резании конструкционных сталей и чугунов период стойкости возрастает менее значительно (в 3 – 8 раз).

Твердые сплавы. Эти сплавы получают методами порошковой металлургии в виде пластин или коронок. Основными компонентами таких сплавов являются карбиды вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC и ниобия NbC, мельчайшие частицы которых соединены посредством сравнительно мягких и менее тугоплавких кобальта или никеля в смеси с молибденом.

Твердые сплавы имеют высокую твердость – 88…92 HRA (72…76 HRC) и теплостойкость до 850…1000°С. Это позволяет работать со скоростями резания в 3 – 4 раза большими, чем инструментами из быстрорежущих сталей.

Применяемые в настоящее время твердые сплавы делятся:

1) на вольфрамовые сплавы группы ВК: ВК3, ВК3-М, ВК4, ВК6, ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК8 и др. В условном обозначении цифра показывает процентное содержание кобальта. Например, обозначение ВК8 показывает, что в нем 8% кобальта и 92% карбидов вольфрама. Буквами М и ОМ обозначается мелкозернистая и особо мелкозернистая структура;

2) на титановольфрамовые сплавы группы ТК: Т5К10, Т15К6, Т14К8, Т30К4, Т60К6 и др. В условном обозначении цифра, стоящая после буквы Т, показывает процентное содержание карбидов титана, после буквы К – кобальта, остальное – карбиды вольфрама;

3) на титанотанталовольфрамовые сплавы группы ТТК: ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9и др. В условном обозначении цифры, стоящие после буквы Т, показывают процентное содержание карбидов титана и тантала, после буквы К – кобальта, остальное – карбиды вольфрама;

4) на безвольфрамовые твердые сплавы ТМ-1, ТМ-3, ТН-20, КНТ-16, ТС20ХН. Обозначения условные.

Твердые сплавы выпускаются в виде стандартизованных пластин, которые припаиваются, приклеиваются или крепятся механически к державкам из конструкционной стали. Выпускаются также инструменты, рабочая часть которых целиком выполнена из твердого сплава (монолитные).

Сплавы группы ТК имеют более высокую теплостойкость, чем сплавы ВК. Они могут использоваться при высоких скоростях резания, поэтому их широко применяют при обработке сталей.

Инструменты из твердых сплавов группы ВК применяют при обработке деталей из конструкционных сталей в условиях низкой жесткости системы СПИД, при прерывистом резании, при работе с ударами, а также при обработке хрупких материалов типа чугуна, что обусловлено повышенной прочностью этой группы твердых сплавов и не высокими температурами в зоне резания. Их также используют при обработке деталей из высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей, титановых сплавов. Это объясняется тем, что наличие в большинстве этих материалов титана вызывает повышенную адгезию со сплавами группы ТК, также содержащими титан. Сплавы группы ТК имеют значительно худшую теплопроводность и более низкую прочность, чем сплавы ВК.

Введение в твердый сплав карбидов тантала или карбидов тантала и ниобия (ТТ10К8-Б) повышает его прочность. Однако температура теплостойкости этих сплавов ниже, чем у двух карбидных.

Особомелкозернистые твердые сплавы применяют для обработки материалов с большой истирающей способностью. Их применяют для чистовой и получистовой обработки деталей из высокопрочных вязких сталей с повышенной склонностью к наклепу.

Сплавы с низким содержанием кобальта (Т30К4, ВК3, ВК4) применяют на чистовых операциях, с большим содержанием кобальта (ВК8, Т14К8, Т5К10) используют на черновых операциях.

Минералокерамика. Ее основу составляют оксиды алюминия Al 2 О 3 с небольшой добавкой (0,5…1%) оксида магния MgO. Высокая твердость, теплостойкость до 1200°С, химическая инертность к металлам, сопротивление окислению во многом превосходят эти же параметры твердых сплавов, но уступает по теплопроводности и имеет более низкий предел прочности на изгиб.

Высокие режущие свойства минералокерамики проявляются при скоростной обработке сталей и высокопрочных чугунов, причем чистовое и получистовое точение и фрезерование повышает производительность обработки деталей до 2 раз при одновременном возрастании периодов стойкости инструментов до 5 раз по сравнению с обработкой инструментами из твердого сплава. Минералокерамика выпускается в виде неперетачиваемых пластин, что существенно облегчает условия ее эксплуатации.

Сверхтвердые инструментальные материалы (СТМ) – наиболее перспективные – это синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза или нитрида бора.

Для алмазов характерны высокая твердость и износостойкость. По абсолютной твердости алмаз в 4-5 раз тверже твердых сплавов и в десятки и в сотни раз превышает износостойкость других инструментальных материалов при обработке цветных сплавов и пластмасс. Вследствие высокой теплопроводности алмазы лучше отводят теплоту из зоны резания, однако, из-за их хрупкости область их применения сильно ограничена. Существенный недостаток алмаза – при повышенной температуре он вступает в химическую реакцию с железом и теряет работоспособность.

Поэтому были созданы новые сверхтвердые материалы, химически инертные к алмазу. Технология получения их близка к технологии получения алмазов, но в качестве исходного вещества использовался не графит, а нитрид бора.

НАЗНАЧЕНИЕ ГЕОМЕТРИИ ИНСТРУМЕНТА И ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ, СВЕРЛЕНИИ, ФРЕЗЕРОВАНИИ.

Выбор заднего угла a. Известно, что при обработке сталей больший оптимальный угол a соответствует меньшей толщине срезаемого слоя: sin a опт =0,13/а 0,3 .

Для практических целей при обработке сталей рекомендуются следующие значения задних углов: для черновых резцов при S>0,3мм/об - a=8°; для чистовых резцов при S<0,3 мм/об - a=12°; для торцовых и цилиндрических фрез - a=12…15°.

Значение задних углов при обработке чугунов несколько меньше, чем для обработки сталей.

Выбор переднего угла g. Передний угол должен быть тем больше, чем меньше твердость и прочность обрабатываемого материала и чем больше его пластичность. Для инструментов из быстрорежущей стали при обработке мягких сталей угол g=20…30°, сталей средней твердости - g=12…15°, чугуна - g=5…15° и алюминия - g=30…40°. У твердосплавного инструмента передний угол делается меньшим, а иногда даже отрицательным в силу того, что этот инструментальный материал менее прочный, чем быстрорежущая сталь. Однако уменьшение g приводит к росту сил резания. Для снижения сил резания в таком случае на передней поверхности как твердосплавного, так и быстрорежущего инструмента затачивают отрицательную фаску.

Выбор главного угла в плане j. При обработке нежестких деталей для уменьшения радиальной составляющей Р у главный угол в плане следует увеличивать до j=90°. В отдельных случаях угол j назначают из конструктивных соображений. Главный угол в плане влияет также на шероховатость обработанной поверхности, поэтому при чистовой обработке рекомендуется использовать меньшие значения j.

Выбор вспомогательного угла в плане j 1 . Для отдельных видов инструментов j 1 колеблется в пределах от 0 до 2…3°. Например, у сверл и метчиков j 1 =2…3¢, а у отрезного резца j 1 =1…3°.

Выбор угла наклона главной режущей кромки l. Рекомендуемые углы для чистовых и черновых резцов из быстрорежущей стали соответственно l=0…(-4)° и l=5…+10°, для твердосплавных резцов при работе их без ударов и с ударами соответственно l=5…+10° и l=5…+20°.

Назначение оптимальных режимов резания :

1. Прежде всего, выбирают инструментальный материал , конструкцию инструмента и геометрические параметры его режущей части. Материал режущей части выбирают в зависимости от свойств обрабатываемого материала, состояния поверхности заготовки, а также от условий осуществляемого резания. Геометрические параметры инструмента назначаются в зависимости от свойств обрабатываемого материала, жесткости технологической системы, вида обработки (черновой, чистовой или отделочной) и других условий резания.

2. Назначают глубину резания с учетом припуска на обработку. При черновой обработке желательно назначать глубину резания, обеспечивающую срезание припуска за один проход. Количество проходов свыше одного при черновой обработке следует допускать в исключительных случаях при снятии повышенных припусков. Получистовая обработка часто производится в два прохода. Первый, черновой, осуществляется с глубиной резания t=(0,6…0,75)h, а второй, окончательный с t=(0,3…0,25)h. Обработка в два прохода в этом случае вызвана тем, что при снятии слоя толщиной свыше 2мм за один проход качество обработанной поверхности низкое, а точность ее размеров недостаточна. При чистовой обработке в зависимости от точности и шероховатости обработанной поверхности глубину резания назначают в пределах 0,5…2,0мм на диаметр, а при обработке с шероховатостью менее Ra 1,25 – в пределах 0,1…0,4мм.

3. Выбирают подачу (при точении и сверлении – S 0 , мм/об; при фрезеровании S z , мм/зуб).При черновой обработке она устанавливается с учетом жесткости технологической станочной системы, прочности детали, способа ее крепления (в патроне, в центрах и т.д.), прочности и жесткости рабочей части режущего инструмента, прочности механизма подачи станка, а также установленной глубины резания. При чистовой обработке назначение подачи необходимо согласовывать с заданной шероховатостью обработанной поверхности и квалитетом точности, учитывая при этом возможный прогиб детали под действием сил резания и погрешности геометрической формы обработанной поверхности. После выбора нормативной подачи производят проверочные расчеты по формулам: Р х = , или .

4. Определяют скорость резания. Скорость резания, допускаемая режущим инструментом при определенном периоде его стойкости, зависит от глубины резания и подачи, материала режущей части инструмента и его геометрических параметров, от обрабатываемого материала, вида обработки, охлаждения и других и других факторов.

При данных глубине резания, подаче и периоде стойкости можно рассчитать скорость резания: при точении: ; при сверлении: ; при фрезеровании: .

5. При черновой обработке проверяется выбранный режим резания по мощности станка. В этом случае должно соблюдаться соотношение: N рез £1,3hN ст. Если окажется, что мощности электродвигателя станка, на котором производится обработка, не хватает, надо выбрать более мощный станок. Если это невозможно, необходимо уменьшить выбранные значения u или S.

6. Определяют основное время каждого прохода (формулы для его расчета при различных видах обработки приводятся в нормативно-справочной литературе.

ПРОЦЕСС ШЛИФОВАНИЯ

Шлифование – процесс резания металлов, осуществляемый зернами абразивного материала. Шлифованием можно практически обрабатывать любые материалы, так как твердость зерен абразива (2200…3100НВ) и алмаза (7000НВ) очень велика. Для сравнения отметим, что твердость твердого сплава 1300НВ, цементита 2000НВ, закаленной стали 600…700НВ. Зерна абразива скрепляются связкой в инструменты различной формы или наносятся на ткань (абразивные шкурки). Шлифование применяется чаще всего как отделочная операция и позволяет получать детали 7…9-го и даже 6-го квалитетов с шероховатостью Ra=0,63…0,16мкм и менее. В некоторых случаях шлифование применяется при обдирке отливок и поковок, при зачистке сварных швов, т.е. как подготовительная или черновая операция. В настоящее время применяется глубинное шлифование для съема больших припусков.

Характерными особенностями процесса шлифования являются следующие:

1) многопроходность, способствующая эффективному исправлению погрешностей формы и размеров деталей, полученных после предшествующей обработки;

2) резание осуществляется большим количеством беспорядочно расположенных абразивных зерен, обладающих высокой микротвердостью (22000…31000Мпа). Эти зерна, образующие прерывистый режущий контур, прорезают мельчайшие углубления, а объем металла, срезаемый в единицу времени, в этом случае значительно меньше, чем при резании металлическим инструментом. Одним абразивным зерном в единицу времени срезается примерно в 400000 раз меньший объем металла, чем одним зубом фрезы;

3) процесс срезания стружки отдельным абразивным зерном осуществляется на высоких скоростях резания (30…70м/с) и за очень короткий промежуток времени (в течение тысячных и стотысячных долей секунды);

абразивные зерна расположены в теле круга хаотически. Они являются многогранниками неправильной формы и имеют округленные радиусом r вершины (Стр. 301).

Округление это невелико (обычно r=8…20 мкм), но его всегда надо учитывать, так как при микрорезании толщины слоев, снимаемых отдельными зернами, соизмеримы с r;

5) большие скорости резания и неблагоприятная геометрия режущих зерен способствует развитию в зоне резания высоких температур (1000…1500°С);

6) управлять процессом шлифования можно только за счет изменения режимов резания, так как изменение геометрии абразивного зерна, выполняющего роль резца или зуба фрезы, практически трудноосуществимо. Алмазные круги с помощью специальной технологии изготовления могут иметь преимущественную (требуемую) ориентировку алмазных зерен в теле круга, что обеспечивает более благоприятные условия резания;

7) абразивный инструмент может в процессе работы самозатачиваться. Это происходит, когда режущие грани зерен затупляются, что вызывает увеличение сил резания, а следовательно, и сил, действующих на зерно. В результате затупленные зерна выпадают, вырываются из связки или раскалываются, и в работу вступают новые острые зерна;

8) шлифованная поверхность образуется в результате одновременного действия как геометрических факторов, характерных для процесса резания, так и пластических деформаций, сопровождающих этот процесс.

Что касается геометрической схемы образования шлифованной поверхности, необходимо иметь в виду следующее:

для большего соответствия действительному процессу стружкообразования следует рассматривать врезание зерен в шероховатую поверхность, а сами зерна считать хаотично расположенными во всем объеме круга (Стр. 302).

Шлифование должно рассматриваться как явление пространственное, а не плоскостное. В зоне резания обрабатываемая элементарная поверхность за время ее контакта со шлифовальным кругом соприкасается не с одним рядом зерен, а с несколькими;

2) чем меньше неровности абразивного режущего инструмента, тем ближе он подходит к сплошному режущему лезвию и тем менее шероховатой получается обработанная поверхность. Одинаковый режущий контур можно создать уменьшением номера зернистости или увеличением времени абразивного воздействия, например, за счет понижения скорости вращения детали или уменьшения продольной подачи за один оборот изделия;

3) упорядоченный режущий рельеф достигается алмазной правкой. В процессе шлифования по мере разрушения и выпадания отдельных зерен упорядоченный режущий рельеф нарушается;

4) абразивные зерна в процессе резания можно разделить на режущие (например, зерна 3, 7), скоблящие, если они врезаются на столь малую глубину, что происходит лишь пластическое выдавливание металла без снятия стружки, давящие 5 и нережущие 4. В реальном процессе шлифования примерно 85…90% всех зерен не режет, а так или иначе пластически деформирует тончайший поверхностный слой, т.е. наклепывает его.

5) на шероховатость влияет не только зернистость, но и связка абразивного инструмента, оказывающая полирующий эффект, который больше проявляется при меньших скоростях вращения круга.

ХАРАКТЕРИСТИКИ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА И НАЗНАЧЕНИЕ РЕЖИМОВ ШЛИФОВАНИЯ

Все абразивные материалы делятся на две группы: естественные и искусственные. К естественным материалам относятся корунд и наждак, состоящие из Al 2 O 3 и примесей. Из искусственных абразивных материалов наиболее широкое распространение получили: электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, синтетический алмаз, кубический нитрид бора (КНБ), белбор.

Под зернистостью абразивных материалов понимают размеры их зерен. По своим размерам (крупности) они делятся по номерам:

1) 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16 – шлифзерно;

2) 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3 – шлифпорошки;

3) М63, М50, М40, М28, М20, М14 – микропорошки;

4) М10, М7, М5 – тонкие микропорошки.

Зернистость микропорошков определяется размером зерен основной фракции в мкм. Согласно ГОСТ 3647-80, различают следующие фракции зерна: В (60…55%), П (55…45%), Н (45…40%), Д (43…39% зерен основной фракции).

Под твердостью кругов понимается способность связки удерживать абразивные зерна от вырывания их с поверхности круга под действием внешних сил, или степень сопротивления связки вырыванию зерен круга из материала связки.

По твердости круги на керамической и бакелитовой связках, согласно ГОСТ 18118-79, делятся на семь классов: М – мягкие (М1, М2, М3), М2 тверже, чем М1; СМ – среднемягкие (СМ1, СМ2); С – средние (С1, С2); СТ – среднетвердые (СТ1, СТ2, СТ3); Т – твердые (Т1, Т2); ВТ – весьма твердые (ВТ); ЧТ – чрезвычайно твердые (ЧТ).

Круги на вулканитовой связке различаются по твердости: среднемягкая (СМ), средняя (С), среднетвердая (СТ) и твердая (Т).

ГОСТ 2424-83 предусматривает изготовление шлифовальных кругов трех классов точности: АА, А и Б. В зависимости от класса точности кругов должны применяться шлифовальные материалы со следующими индексами: В и П – для класса точности АА; В, П и Н – для класса точности А; В, П, Н и Д – для класса точности Б.

Под структурой шлифовального круга понимается его внутренне строение, т. е. процентное соотношение и относительное расположение зерен, связки и пор в единице объема круга: V з +V с +V п =100%.

Основой системы структур является содержание абразивных зерен в единице объема инструмента:

Номер структуры

Содержание зерен, %

Структуры с 1 по 4 – закрытые или плотные; с 5 по 8 – средние; с 9 по 12 – открытые.

ГОСТ 2424-83 регламентирует выпуск 14 профилей шлифовальных кругов диаметром 3…1600мм, толщиной 6…250мм.

Оптимальным режимом резания при шлифовании следует считать режим, который обеспечивает высокую производительность, наименьшую себестоимость и получение требуемого качества шлифованной поверхности.

Для определения режима шлифования:

1) выбирается характеристика шлифовального круга и устанавливается его окружная скорость u к;

2) назначается поперечная подача (глубина резания t) и определяется число проходов, обеспечивающих снятие всего припуска. Подача варьируется в пределах 0,005…0,09 мм за двойной ход;

3) назначается продольная подача в долях ширины круга S пр =КВ, где К=0,4…0,6 для чернового, К=0,3…0,4 – для чистового шлифования;

4) выбирается окружная скорость вращения детали u д. При черновом шлифовании следует исходить из установленного периода стойкости круга (Т=25…60мин), при чистовом – из обеспечения заданной шероховатости поверхности. Обычно скорость вращения детали находится в пределах 40…80м/мин;

5) подбирается охлаждающая жидкость;

6) определяются силы резания и мощность, необходимые для обеспечения процесса шлифования. Мощность (кВт),необходимая для вращения круга, N k ³P z u к /10 3 h, а для вращения детали N д ³P z u д /(60×10 3 h);

7) выбранные режимы шлифования корректируются по паспорту станка. При нехватке мощности уменьшаются u д или S, т.к. они влияют на мощность резания N к и машинное время t м;

8) проверяются условия бесприжогового шлифования по удельной мощности, приходящейся на 1 мм ширины круга: N уд =N к /В. Она должна быть меньше допустимой удельной мощности, приводимой в справочной литературе;

9) подсчитывается машинное время.

Похожая информация.

Инструментальные материалы должны иметь высокую твердость, остающуюся достаточной и при высокой температуре, чтобы осуществлять внедрение инструмента в менее твердый конструкционный материал. Твердость должна сохранятся и при высоких температурах, то есть инструментальные материалы должны обладать высокой красностойкостью. Исходя из особенностей нагружения инструментов (консольное закрепление, ударные нагрузки, изгиб, растяжение, сжатие), их основными прочностными показателями считают пределы прочности на кручение, изгиб и сжатие, а также ударную вязкость. Необходимость противостоять интенсивному истиранию ставит задачу создания износостойких инструментальных материалов. Кроме того, они должны быть технологичными и иметь невысокую стоимость.

Углеродистые инструментальные стали марок У7А, У8А, У10А и другие используют для изготовления инструментов с твердостью HRC = 60-62 после термообработки; красностойкость сталей - до 200-250 °С, допустимые скорости резания - 15-18 м/мин. Применяются в производстве напильников, зубил, метчиков, плашек, ножовочных полотен и других инструментов.

Красностойкость легированных инструментальных сталей достигает 250-300 °С, допустимые скорости резания - 15-25 м/мин. Эти стали незначительно деформируются при термической обработке, поэтому из них изготавливают сложные по конфигурации инструменты: плашки, зубила, метчики, развертки, сверла, резцы, фрезы, протяжки и др.

Из быстрорежущих сталей изготавливают режущий инструмент с твердостью HRC = 62-65. После термообработки красностойкость таких сталей сохраняется до 640 °С, скорость резания - до 80 м/мин. Из стали Р9 изготавливают инструменты простой формы (резцы, фрезы, зенкеры и др.), из стали Р18 - сложные инструменты с высокой износостойкостью (метчики, плашки, зуборезный инструмент). Широко распространена быстрорежущая сталь марки Р6М5. Имеются быстрорежущие стали с малым содержанием вольфрама (11АРМЗФ2) или без него (11М5Ф). Все шире применяют инструменты из быстрорежущих сталей с износостойкими покрытиями. Так, тонкие покрытия нитрида титана увеличивают срок службы инструмента в 2-5 раз.

Твердые сплавы , обладающие высокой износостойкостью, твердостью (HRA = 86-92) и красностойкостью (800-1000 °С), пригодны для скоростей обработки до 800 м/мин. Однокарбидные твердые сплавы марок ВК2, ВК4, ВК6, ВК8 имеют хорошее сопротивление ударным нагрузкам, используются для обработки чугунов, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов. Двухкарбидные твердые сплавы марок Т5К10, Т14К18, Т15К6, Т30К4 менее прочны, но более износостойки, чем сплавы первой группы. Находят применение при обработке пластичных и вязких металлов и сплавов, углеродистых и легированных сталей. Трехкарбидный твердый сплав марки ТТ7К12 обладает повышенной прочностью, износостойкостью и вязкостью, его применяют для обработки жаропрочных сталей, титановых сплавов и других труднообрабатываемых материалов.

С целью повышения износостойкости без снижения прочности твердых сплавов используют особо мелкие зерна карбида вольфрама (ВК6-ОМ). Инструменты оснащают также пластинками с тонкими покрытиями (толщиной 5-10 мкм) из износостойких материалов (карбида, нитрида или карбонитрида титана и др.). Это повышает их стойкость в 5-6 раз. Есть и безвольфрамовые твердые сплавы марок ТМ1, ТМЗ, ТН-20, КНТ-16, создаваемые на основе карбидов или других соединений титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов.

Минералокерамика - синтетический материал, основой которого служит глинозем (А1 2 О э), спеченный при температуре 1720-1750 °С. Минералокерамика марки ЦМ-332 характеризуется красностойкостью 1200 °С. Инструменты, приготовленные из этого материала, имеют высокую износостойкость и размерную стабильность, характеризуются отсутствием налипания металла на инструмент; их недостаток - низкая прочность и хрупкость. Пластинки из минералоке- рамики крепят механическим путем или пайкой, предварительно подвергнув их металлизации. С целью улучшения эксплуатационных свойств в минералокерамику добавляют вольфрам, молибден, титан, никель и др. Такие материалы называются керметами. Пластинки из минералокерамики применяют для безударной обработки заготовок из сталей и цветных сплавов.

Находят применение в инструментах и сверхтвердые материалы (СТМ). К ним относятся материалы на основе кубического нитрида бора, композиты. Режущими пластинками из композитов снабжаются резцы и фрезы.

Абразивные материалы представляют собой порошковые мелкозернистые вещества, используемые для производства абразивных инструментов: шлифовальных кругов, лент, брусков, сегментов, головок. Естественные абразивные материалы (наждак, кварцевый песок, корунд) характеризуются значительным разбросом свойств, поэтому применяются редко.

Абразивные инструменты в машиностроении изготавливают из искусственных материалов: электрокорундов, карбидов кремния, карбидов бора, оксида хрома и ряда новых материалов. Все они отличаются высокими свойствами: красностойкостью (1800-2000 °С), износостойкостью и твердостью. Так, микротвердость карбидов бора составляет 43% от микротвердости алмаза, карбидов кремния - 35% и электрокорунда - 25%. Обработку абразивными инструментами ведут на скоростях 15-100 м/с на завершающих этапах технологических процессов по изготовлению деталей машин.

Шлифовальные и полировальные пасты содержат в своем составе оксид хрома. Из новых материалов в качестве абразивов для обработки твердых сплавов используют эльбор, представляющий собой поликристаллические образования на основе нитрида бора кубического или гексагонального строения.

В промышленности широкое распространение получили различные алмазные инструменты. Используют естественные (А) и синтетические (АС) алмазы, отличающиеся высокими твердостью, красностойкостью, износостойкостью и размерной стойкостью. Обработка алмазными инструментами характеризуется высокой точностью, малой шероховатостью поверхности и повышенной производительностью.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

• 1. Какие движения осуществляются рабочими органами станка? Какое из них называют движением резания?
• 2. Какова геометрия токарного проходного резца?
• 3. Какие физические явления сопровождают процесс резания?

Применение в промышленности труднообрабатываемых материалов и постоянный рост производительности труда, особенно в процессах обработки металлов резанием, требует создания новых методов обработки и новых металлорежущих инструментов из более эффективных инструментальных материалов.

Производительность инструмента в значительной степени зависит от его способности сохранять определенное время режущие свойства. Режущие свойства ухудшаются не только под влиянием высокой температуры, повышающейся в процессе резания и вызывающей снижение твердости инструмента, но и таких явлений, как адгезия, диффузия, абразивно-механическое изнашивание режущей кромки и поверхностей инструмента.

Способность инструмента сопротивляться указанным явлениям называется износостойкостью . Стойкость инструмента измеряется временем, в течение которого сохраняются его режущие свойства и на определенных условиях работы. Во избежание преждевременного разрушения режущей кромки необходимо, чтобы инструментальный материал был также достаточно прочным.

Следовательно, инструментальные материалы независимо от их химического состава и способа производства, предназначенные для использования в качестве режущих элементов инструментов, должны иметь: твердость, превышающую твердость обрабатываемых металлов; высокую износостойкость; красностойкость; механическую прочность в сочетании с достаточной пластичностью. Перечисленные свойства определяют физико-механические характеристики инструментальных материалов. Однако не все инструментальные материалы обладают одинаково высокими физико-механическими свойствами. Они изменяются в зависимости от химического состава, структурного состояния, от условия взаимодействия инструментального материала с металлом обрабатываемой детали в процессе резания и от его устойчивости при изменяющихся температурах.

Классификация инструментальных материалов по химическому составу и физико-механическим свойствам

Классификация инструментальных материалов по химическому составу и физико-механическим свойствам приведена на рис. 1, из которого видно, что в настоящее время материалы режущих инструментов делятся на четыре группы и отличаются значительной номенклатурой, В соответствии с этим различные режущие материалы должны иметь свои рациональные области применения.

Рисунок 1. Классификация современных инструментальных режущих материалов

Материалы, относящиеся к II — IV группам, имеют повышенные режущие свойства и поэтому являются прогрессивными.

Прогрессивные режущие материалы благодаря повышенной теплостойкости и износостойкости, в сравнении с инструментальными сталями, обеспечивают при резании инструментом работу на повышенных скоростях резания, обработку металлов с высокой твердостью, чем способствуют повышению производительности труда и эффективности технологического процесса. Производительность процесса механической обработки зависит не только от скорости резания, но и от величины подачи и глубины резания. Эти параметры определяют площадь среза и соответственно силу резания, воздействующую на режущую часть инструмента, вызывая сложные напряжения в режущем клине. Поэтому одной из основных механических характеристик инструментального режущего материала является прочность на изгиб. Однако в природе не существует материалов, обладающих одновременно высокой, твердостью, износостойкостью и прочностью.

Относительное расположение инструментальных материалов по износостойкости и прочности показано на рис. 2.

Рисунок 2. Относительное расположение режущих материалов по их износостойкости и прочности на изгиб его проектирования с учетом физико-механических свойств материала и факторов режима резания.

Ученые материаловеды работают над созданием новых материалов и совершенствованием существующих в направлении одновременного повышения вышеуказанных свойств материалов.

Перед студентами-инструментальщиками и технологами стоит задача рационального выбора режущего материала для конкретного инструмента и вида обработки.

К основным достижениям последнего времени в области прогрессивных режущих материалов можно отнести:

1. повышение качества металлокерамических вольфрамотитанокобальтовых твердых сплавов;
2. разработку маловольфрамовых твердых сплавов;
3. разработку и совершенствование безвольфрамовых твердых сплавов;
4. повышение режущей способности сплавов за счет нанесения покрытий карбидом титана, нитридом титана, карбонитридами и оксидами различных металлов;
5. разработку и совершенствование оксидно-карбидной минералокерамики;
6. создание поликристаллов синтетических сверхтвердых материалов на основе углерода и нитрида бора.

Качество инструментального материала определяется комплексом механических и физико-химических свойств:

• пределом прочности при одноосном растяжении и сжатии;
• температурной зависимостью предела текучести или твердости;
• температурной зависимостью предела выносливости;
• температурной зависимостью интенсивности адгезии с обрабатываемым материалом;
• модулем упругости, температурным коэффициентом линейного расширения, коэффициентом Пуассона;
• тепло- и температуропроводностью;
• температурной зависимостью скорости взаимного растворения инструментального и обрабатываемого материалов;
• температурной зависимостью скорости окисления.

Сравнение основных физико-механических свойств групп режущих материалов приведено в табл. 1. Керметы, занимающие по режущим характеристикам промежуточное значение между твердым сплавом и быстрорежущей сталью, не включены в табл. 1.

Материал	Плотность?, 10 3 кг/м 3	Микротвердость HV,10 7 Па	Предел прочности при сжатии? сж. МПа	Предел прочности при изгибе? из, МПа	Модуль продольной упругости Е, ГПа	Теплопроводность, Вт / (м* К)	Теплостойкость, °C
Твердые сплавы						11…80
Минералокерамика: оксидная
оксидно-карбидняя
Сверхтвердый кубический нитрид бора
синтетическийалмаз

Новые инструментальные материалы обычно имеют ограниченную область применения, – поэтому они будут дополнять, а не заменять основные виды инструментальных материалов. Сложность процесса стружкообразования, особенно в условиях прерывистого резания и при высоких температурах, не позволяет в настоящее время прогнозировать режущую способность новых инструментальных материалов при всех условиях обработки.

Усовершенствованные существовавшие и созданные новые прогрессивные режущие материалы обладают повышенными режущими свойствами и позволяют обрабатывать резанием все конструкционные материалы.

Режущие инструменты работают в условиях значительных силовых нагрузок, высоких температур, трения и износа. Поэтому инструментальные материалы должны обладать определенными эксплуатационными физико-механическими свойствами. Материал режущей части инструмента должен иметь большую твердость и высокие значения допустимых напряжений на изгиб, растяжение, сжатие, кручение. Твердость материала режущей части инструмента должна значительно превышать твердость материала обрабатываемой заготовки.

Высокие прочностные свойства необходимы для того, чтобы инструмент обладал сопротивляемостью соответствующим деформациям в процессе резания, а достаточная вязкость материала позволяла бы воспринимать ударную динамическую нагрузку, возникающую при обработке заготовок из хрупких материалов или с прерывистой обрабатываемой поверхностью. Инструментальные материалы должны обладать высокой красностойкостью, т.е. сохранять большую твердость и режущие свойства при высоких температурах нагрева. Важнейшей характеристикой материала режущей части инструмента служит износостойкость. Чем выше износостойкость, тем медленнее изнашивается инструмент и выше его размерная стойкость. Это значит, что заготовки, последовательно обработанные одним и тем же инструментом, будут иметь минимальное рассеяние размеров обработанных поверхностей. В целях повышения износостойкости на режущую часть инструментов специальными методами наносят одно- и многослойные покрытия из карбидов вольфрама, нитридов титана. Материалы для изготовления инструментов должны по возможности иметь наименьшее процентное содержание дефицитных элементов.

2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Углеродистые инструментальные стали содержат 1,0 ... 1,3 % С. Для изготовления инструментов применяют качественные стали У10А, УНА, У12А. После термической обработки стали (HRC э 60 ... 62) имеют красностойкость 200 ... 240 °С. При этой температуре твердость стали резко уменьшается и инструменты не могут выполнять работу резания. Допустимые скорости резания не превышают 0,2 ... 0,3 м/с. Из этих сталей изготовляют метчики, плашки, ножовочные полотна, сверла и зенкеры малых диаметров.

Легированные инструментальные стали - это углеродистые инструментальные стали, легированные хромом (X), вольфрамом (В), ванадием (Ф), кремнием (С) и другими элементами. После термообработки легированные стали (НКС Э 62 ... 64) имеют красностойкость 220 ... 260 °С. Легированные стали по сравнению с углеродистыми имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии, более высокую прокаливаемость, меньшую склонность к деформациям и появлению трещин при закалке. Допустимая скорость резания 0,25 ... 0,5 м/с. Для изготовления протяжек, сверл, метчиков, плашек, разверток используют стали 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 6ХС, 9ХС.

Быстрорежущие стали содержат 5,5 ... 19 % W, 3,8 ... 4,4 % С, 2 ... 10 % Со и V. Для изготовления инструментов используют стали Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р6М5, Р9Ф5, Р14Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф2. Режущий инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (НКСЭ 62 ... 65) имеет красностойкость 600 ... 640 °С и обладает повышенной износостойкостью;

он может работать со скоростями резания до 2 м/с.

Сталь Р9, например, рекомендуют для изготовления инструментов простой формы (резцов, фрез, зенкеров). Кобальтовые быстрорежущие стали Р9К5, Р18К5Ф2, Р9К10 применяют для обработки труднообрабатываемых материалов в условиях прерывистого процесса резания. Ванадиевые быстрорежущие стали Р9Ф5, Р14Ф4 рекомендуют для изготовления инструментов, предназначенных для чистовой обработки (протяжки, развертки, шеверы). Их применяют для обработки труднообрабатываемых материалов при срезании стружек малого поперечного сечения.

Вольфрамомолибденовые стали Р9М4, Р6МЗ используют для инструментов, работающих в условиях черновой обработки и для изготовления протяжек, долбяков, шеверов, фрез.

Для экономии быстрорежущих сталей режущий инструмент изготовляют сборным или сварным. Режущую часть инструмента делают из быстрорежущей стали, которую сваривают с присоединительной частью из конструкционных сталей 45, 50, 40Х. Часто используют пластинки из быстрорежущей стали, которые приваривают к державкам или корпусам инструментов.

3. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Твердые сплавы - это твердый раствор карбидов вольфрама, титана и тантала (WC, TiC, TaC) в металлическом кобальте (Со). Твердые сплавы применяют в виде пластинок определенных форм и размеров, изготовляемых порошковой металлургией. Пластинки предварительно прессуют, а затем спекают при температуре 1500... 1900 °С.

Твердые сплавы делят на группы: вольфрамовую - ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25; титановольфрамовую - ТЗОК4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титанотанталовольфрамовую - ТТ7К12, ТТ10К8Б. Пластинки твердого сплава (HRA, 86 ... 92) обладают высокими износостойкостью и красностойкостью (800 ... 1250 °С), что позволяет вести обработку со скоростями резания до 15 м/с. Пластинки припаивают к державкам или корпусам инструментов медными, латунными припоями или крепят механическим способом.

В промышленности применяют многогранные неперетачиваемые твердосплавные пластинки (трех-, четырех-, пяти-, шестигранные), которые крепят механическим способом. После изнашивания одной из режущих кромок такой пластинки в работу вводят следующую. Недостаток твердых сплавов - пониженная пластичность.

Твердые сплавы группы ВК используют для обработки заготовок из хрупких металлов, пластмасс, неметаллических материалов; сплавы группы ТВК - для обработки заготовок из пластичных и вязких металлов и сплавов. Мелкозернистые твердые сплавы ВК6М применяют для обработки заготовок из труднообрабатываемых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, твердых чугунов, бронз, закаленных сталей, сплавов легких металлов, сплавов титана, фарфора, керамики, стекла, ферритов. Трехкар-бидные сплавы ТТК отличаются от групп сплавов ВК и ТВК повышенными износостойкостью, прочностью и вязкостью. Их применяют для обработки заготовок из труднообрабатываемых сталей аустенитного класса.

4. СИНТЕТИЧЕСКИЕ
СВЕРХТВЕРДЫЕ И
КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Эффективность обработки заготовок на автоматических линиях, станках с ЧПУ, многоцелевых станках, в гибких производственных модулях и системах в значительной степени зависит от материалов режущей части инструментов. Высокая эффективность работы этих систем обеспечивается применением новых сверхтвердых материалов и керамики.

В настоящее время инструментальная промышленность выпускает материалы на основе нитрида бора (композиты) и на основе оксида алюминия (керамика).

Существует большое разнообразие сверхтвердых материалов (СТМ) на основе плотных модификаций нитрида бора. Группы СТМ различаются технологией производства, структурами и физико-механическими свойствами.

СТМ на основе фазового превращения графитоподобного нитрида бора в кубический. Производят композит 01 (эльбор) в композит 02 (белбор). Применяют для тонкого и чистового точения резцами в условиях безударной нагрузки и торцового фрезерования закаленных сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов с содержанием кобальта более 15 %.

СТМ на основе частичного или полного превращения вюрцитного нитрида бора в кубический. Производят композит 01 (гексанит-Р) и модификации композита 09-ПТНБ (поликристалл твердого нитрида бора), ПТНБ-ИК и др. Гексанит-Р и пластины из композита 10Д (композит 10 на подложке из твердого сплава) применяют для предварительного и окончательного точения и торцового фрезерования сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов в условиях безударной или ударной динамической нагрузки (наличие на обрабатываемой поверхности отверстий, пазов, ребер).

СТМ на основе спекания частиц кубического нитрида бора (КНБ). Производят композит 05, киборит и ниборит. Используют следующие технологии изготовления: вдавливание частиц КНБ в металлическую матрицу; спекание зерен КНБ с зернами связки; спекание в условиях химического взаимодействия зерен КНБ со связкой.

Композит 05 применяют для предварительного и чистового точения и торцового фрезерования закаленных деталей из чугунов любой твердости с наличием поверхностной литейной корки.

Инструментальные керамические материалы можно разделить на группы, различающиеся химическим составом, методом производства и областями рационального использования.

Оксидная "белая" керамика, состоящая из А1 2 О 3 с легирующими добавками MgO, ZrO 2 и др. Марки керамики: ЦМ332, ВО-13. Применяют для чистовой и получистовой обработки незакаленных сталей и серых чугунов со скоростями резания до 15 м/с.

Оксидно-карбидная "черная" керамика, состоящая из Al 2 O 3 (до 60 %), TiC (20 ... 40 %), ZrO 2 (20 ... 40 %) и других карбидов тугоплавких металлов. Марка керамики ВОК-60. Применяют для чистовой и получистовой обработки ковких, высокопрочных и отбеленных модифицированных чугунов и закаленных сталей.

Керамика на основе нитрида кремния с легированием оксидами иттрия, циркония, алюминия. Марка силинит-Р, получаемая способом горячего прессования. Применяют для получистовой обработки чугунов.

Основным направлением конструирования инструментов из СТМ и керамики является создание резцов и фрез с механическим креплением цельных и двухслойных круглых и многогранных режущих пластин.

Предыдущая статья: Благоприятные дни прививки яблонь апреле Следующая статья: Пикировка по лунному календарю