Инструментальный материалу 8 относится к. Применение прогрессивных инструментальных материалов

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?

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.

Для обеспечения работоспособности металлорежущего инструмента необходимо изготовлять его рабочую часть из материала, обладающего комплексом определенных физико-механических свойств (высокими показателями твердости, износостойкости, прочности, теплостойкости и др.). Материалы, отвечающие требованиям этого комплекса и способные осуществлять резание, называются инструментальными материалами . Рассмотрим физико-механические свойства инструментальных материалов.

Чтобы внедриться в поверхностные слои обрабатываемой заготовки, режущие лезвия рабочей части инструментов должны быть выполнены из материалов, имеющих высокую твердость. Твердость инструментальных материалов может быть природной (т. е. свойственной материалу при его образовании) или достигнута специальной обработкой. Например, инструментальные стали в состоянии поставки с металлургических заводов легко поддаются обработке резанием. После механической обработки, термообработки, шлифования и заточки инструментов из стали их прочность и твердость резко повышаются.

Твердость определяется с помощью различных методов. Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими число твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости А, В или С (например, HRC). Твердость термообработанных инструментальных сталей измеряется по шкале С Роквелла и выражается в условных единицах HRC. Наиболее устойчивый режим работы и наименьшая изнашиваемость лезвий инструментов, изготовленных из инструментальных сталей и прошедших термообработку, достигается при твердости HRC 63...64. При меньшей твердости возрастает изнашиваемость лезвий инструмента, а при большей твердости лезвия начинают выкрашиваться из-за чрезмерной хрупкости.

Металлы, имеющие твердость HRC 30...35, удовлетворительно обрабатываются инструментами из термообработанных инструментальных сталей (HRC 63... 64), т. е. при отношении твердостей, примерно равном двум. Для обработки термообработанных металлов (HRC 45...55) необходимо использовать инструменты, изготовленные только из твердых сплавов. Их твердость измеряется по шкале А Роквелла и имеет значения HRA 87...93. Высокая твердость синтетических инструментальных материалов позволяет использовать их для обработки закаленных сталей.

В процессе резания на рабочую часть инструментов действуют силы резания, достигающие 10 кН и более. Под действием этих сил в материале рабочей части возникают большие напряжения. Чтобы эти напряжения не приводили к разрушению инструмента, используемые для его изготовления инструментальные материалы должны иметь достаточно высокую прочность .

Среди всех инструментальных материалов наилучшим сочетанием прочностных характеристик обладают инструментальные стали. Благодаря этому рабочая часть инструментов, выполненных из инструментальных сталей, успешно выдерживает сложный характер нагружения и может работать на сжатие, кручение, изгиб и растяжение.

В результате интенсивного выделения теплоты в процессе резания металлов нагреваются лезвия инструмента, причем в наибольшей степени - их поверхности. При температуре нагрева ниже критической (для различных материалов она имеет разные значения) структурное состояние и твердость инструментального материала не изменяются. Если температура нагрева превышает критическую, то в материале происходят структурные изменения и связанное с этим снижение твердости. Критическая температура называется также температурой красностойкости . В основе термина «красностойкость» лежит физическое свойство металлов при нагреве до 600 °С излучать темно-красный свет. Красностойкость - это способность материала сохранять при повышенных температурах высокие твердость и износостойкость. По своей сути красностойкость означает температуростойкость инструментальных материалов. Температуростойкость различных инструментальных материалов изменяется в широких пределах: 220...1800°С.

Увеличение работоспособности режущего инструмента может быть достигнуто не только за счет повышения температуростойкости инструментального материала, но и благодаря улучшению условий отвода теплоты, выделяющейся в процессе резания на лезвии инструмента и вызывающей его нагрев до высоких температур. Чем большее количество теплоты отводится от лезвия в глубь инструмента, тем ниже температура на его контактных поверхностях. Теплопроводность инструментальных материалов зависит от их химического состава и температуры нагрева.

Например, присутствие в стали таких легирующих элементов, как вольфрам и ванадий, снижает теплопроводящие свойства инструментальных сталей, а легирование их титаном, кобальтом и молибденом, наоборот, заметно повышает.

Значение коэффициента трения скольжения материала заготовки по инструментальному материалу зависит от химического состава и физико-механических свойств материалов контактирующих пар, а также от контактных напряжений на трущихся поверхностях и скорости скольжения.

Коэффициент трения связан функциональной зависимостью с силой трения и работой сил трения на пути взаимного скольжения инструмента и заготовки, поэтому значение этого коэффициента оказывает влияние на износостойкость инструментальных материалов.

Взаимодействие инструмента с обрабатываемым материалом протекает в условиях постоянного (подвижного) контакта. При этом оба тела, образующие пару трения, взаимно изнашиваются.

Материал каждого из взаимодействующих тел обладает:

свойством истирать материал, с которым он взаимодействует;
износостойкостью, т.е. способностью материала сопротивляться истирающему действию другого материала.

Изнашивание лезвий инструмента происходит на протяжении всего периода взаимодействия с обрабатываемым материалом. В результате этого лезвия инструмента теряют некоторую часть своих режущих свойств, изменяется форма рабочих поверхностей инструмента.

Износостойкость не является неизменным свойством инструментальных материалов, она зависит от условий резания.

Современные инструментальные материалы отвечают требованиям, рассмотренным выше. Они подразделяются на следующие группы:

инструментальные стали;
твердые сплавы (металлокерамика);
минералокерамика и керметы;
синтетические композиции из нитрида бора;
синтетические алмазы.

Инструментальные стали разделяют на углеродистые, легированные и быстрорежущие.

Углеродистые инструментальные стали применяют для изготовления инструмента, работающего при малых скоростях резания.

Марки таких сталей обозначают буквой У (углеродистая), затем цифрами, которые показывают содержание в стали углерода (в десятых долях процента), буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная (содержание серы и фосфора не более 0,03 % каждого элемента).

Основными свойствами углеродистых инструментальных сталей являются высокая твердость (HRC 62...65) и низкая температуростойкость.

Из стали марок У9 и У10А изготовляют пилы; из стали марок У11; У11А; У12 - ручные метчики и др.

Температуростойкость сталей марок У10А...У13А 220°С, поэтому инструмент из этих сталей рекомендуется применять при скорости резания 8...10 м/мин.

Легированная инструментальная сталь в зависимости от основных легирующих элементов может быть хромистой (X), хромокремнистой (ХС), вольфрамовой (В), хромовольфрамомарганцевой (ХВГ) и др.

Марки таких сталей обозначают цифрами и буквами (первыми буквами названия легирующих элементов). Первая цифра слева от букв показывает содержание углерода в десятых долях процента (если содержание углерода менее 1 %), цифры справа от букв показывают среднее содержание легирующего элемента в процентах.

Из стали марки X изготовляют метчики и плашки, из стали 9ХС - сверла, развертки, метчики и плашки. Сталь В1 рекомендуется для изготовления мелких сверл, метчиков и разверток.

Температуростойкость легированных инструментальных сталей 350...400°С, поэтому допустимые скорости резания для инструмента из этих сталей в 1,2... 1,5 раза выше, чем для инструмента из углеродистых инструментальных сталей.

Быстрорежущие (высоколегированные) стали применяют чаще всего для изготовления сверл, зенкеров и метчиков. Марки быстрорежущих сталей обозначают буквами и цифрами, например Р6МЗ. Буква Р означает, что сталь быстрорежущая, цифры после нее показывают среднее содержание вольфрама в процентах, остальные буквы и цифры обозначают то же, что и в марках легированных сталей. Важнейшими компонентами быстрорежущих сталей являются вольфрам, молибден, хром и ванадий.

Быстрорежущие стали в зависимости от режущих свойств делят на стали нормальной и повышенной производительности. К сталям нормальной производительности относятся вольфрамовые стали марок Р18; Р9; Р9Ф5 и вольфрамомолибденовые стали марок Р6МЗ; Р6М5, сохраняющие твердость не менее HRC 58 до температуры 620°С. К сталям повышенной производительности относятся стали марок Р18Ф2; Р14Ф4; Р6М5К5; Р9М4К8; Р9К5; Р9К10; Р10К5Ф5; Р18К5Ф2, сохраняющие твердость HRC 64 до температуры 630...640°С.

Стали нормальной производительности - твердость HRC 65, температуростойкость 620°С, предел прочности при изгибе 3...4 ГПа (300...400 кгс/мм 2) - предназначены для обработки углеродистых и низколегированных сталей с пределом прочности на изгиб до 1 ГПа (100 кгс/мм 2), серого чугуна и цветных металлов. Быстрорежущие стали повышенной производительности, легированные кобальтом или ванадием (твердость HRC 70...78, температуростойкость 630...650°С, предел прочности при изгибе 2,5...2,8 ГПа, или 250 ...280 кгс/мм 2), предназначены для обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов, а с пределом прочности при изгибе свыше 1 ГПа (100 кгс/мм 2) - для обработки титановых сплавов.

Все инструменты, изготовленные из инструментальных сталей, подвергают термической обработке. Инструменты из быстрорежущей стали могут работать при более высоких скоростях резания, чем инструменты из углеродистой и легированной инструментальных сталей.

Твердые сплавы делят на металлокерамические и минералокерамические. Форма пластин, изготовленных из этих сплавов, зависит от их механических свойств. Инструменты, оснащенные пластинами из твердых сплавов, позволяют работать на более высоких скоростях резания по сравнению с инструментами из быстрорежущей стали.

Металлокерамические твердые сплавы подразделяют на вольфрамовые, вольфрамотитановые и титановольфрамотанталовые. Вольфрамовые сплавы группы В К состоят из карбидов вольфрама и титана. Марки этих сплавов обозначают буквами и цифрой, например ВК2; ВКЗМ; ВК4; ВК6; ВК6М; ВК8; ВК8В. Буква В означает карбид вольфрама, буква К - кобальт, а цифра показывает содержание кобальта в процентах (остальное - карбид вольфрама). Буква М, приведенная в конце некоторых марок, означает, что сплав мелкозернистый. Инструмент, изготовленный из такого сплава, обладает повышенной износостойкостью, но его сопротивляемость ударам снижена. Инструменты из вольфрамовых твердых сплавов применяют для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов (резины, пластмассы, фибры, стекла и др.).

Вольфрамотитановые сплавы группы ТК состоят из карбидов вольфрама, титана и кобальта. Марки этих сплавов обозначают буквами и цифрами, например Т5К10; Т5К12В; Т14К8; Т15К6; Т30К4; Т15К12В. Буква Т означает карбид титана, цифра за ней - процентное содержание карбида титана, буква К - карбид кобальта, цифра за ней - процентное содержание карбида кобальта (остальное в данном сплаве - карбид вольфрама). Инструменты из этих сплавов применяют для обработки всех видов сталей.

Вольфрамотитанотанталовые сплавы группы ТТК состоят из карбидов титана, вольфрама, тантала и кобальта. Для изготовления металлорежущего инструмента используют сплавы марок ТТ7К12 и ТТ10К8Б, содержащие соответственно 7 и 10 % карбидов титана и тантала, 12 и 8 % карбидов кобальта (остальное - карбид вольфрама). Инструмент из этих сплавов применяют в особо тяжелых условиях обработки, когда использование других инструментальных материалов неэффективно.

Твердые сплавы обладают высокой температуростойкостью. Вольфрамовые твердые сплавы сохраняют твердость HRC 83...90, а вольфрамотитановые - HRC 87...92 при температуре 800...950 °С, что позволяет инструменту из сплавов работать при высоких скоростях резания (до 500 м/мин при обработке сталей и до 2700 м/мин при обработке алюминия).

Для обработки деталей из коррозионно-стойких, жаропрочных и других труднообрабатываемых сталей и сплавов предназначены инструменты из мелкозернистых сплавов группы ОМ: из сплава ВК6-ОМ - для чистовой обработки, а из сплавов ВКЮ-ОМ и ВК15-ОМ - для получистовой и черновой обработки. Еще более эффективно для обработки труднообрабатываемых материалов использование инструментов из твердых сплавов марок BKIO-XOM и ВК15-ХОМ, в которых карбид тантала заменен карбидом хрома. Легирование сплавов карбидом хрома увеличивает их твердость и прочность при высоких температурах.

Для повышения прочности пластины из твердого сплава плакируют, т.е. покрывают защитными пленками. Широко применяют износостойкие покрытия из карбидов, нитридов и карбонидов титана, нанесенные тонким слоем (толщиной 5... 10 мкм) на поверхность твердосплавных пластин. На поверхности этих пластин образуется мелкозернистый слой карбида титана, обладающий высокой твердостью, износостойкостью и химической устойчивостью при высоких температурах. Износостойкость твердосплавных пластин с покрытием в среднем в три раза выше износостойкости пластин без покрытия, что позволяет увеличить скорость резания на 25... 30 %.

При определенных условиях в качестве инструментального материала применяют минералокерамические материалы , получаемые из окиси алюминия с добавками вольфрама, титана, тантала и кобальта.

Для режущего инструмента используют минералокерамику марки ЦМ-332, которая отличается высокой температуростойкостью (твердость HRC 89...95 при температуре 1200°С) и износостойкостью, что позволяет вести обработку стали, чугуна и цветных сплавов при высоких скоростях резания (например, чистовое обтачивание чугуна при скорости резания 3700 мм/мин, что в два раза выше скорости резания при обработке инструментом из твердых сплавов). Недостатком минералокерамики марки ЦМ-332 является повышенная хрупкость.

Для изготовления режущих инструментов применяют также режущую керамику (кермет) марок ВЗ; ВОК-6О; ВОК-63, представляющую собой оксидно-карбидное соединение (окись алюминия с добавкой 30...40% карбидов вольфрама и молибдена). Введение в состав минералокерамики карбидов металлов (а иногда и чистых металлов - молибдена, хрома) улучшает ее физико-механические свойства (в частности, снижает хрупкость) и повышает производительность обработки в результате повышения скорости резания. Получистовая и чистовая обработка инструментом из кермета деталей из серых, ковких чугунов, труднообрабатываемых сталей, некоторых цветных металлов и сплавов производится со скоростью резания 435...1000 м/мин без подачи СОЖ в зону резания. Режущая керамика отличается высокой температуростойкостью (твердость HRC 90...95 при температуре 950...1100 °С).

Для обработки закаленных сталей (HRC 40...67), высокопрочных чугунов (НВ 200...600), твердых сплавов типа ВК25 и ВК15 и стеклопластиков применяют инструмент, режущая часть которого изготовлена из сверхтвердых материалов (СТМ) на основе нитрида бора и алмазов. При обработке деталей из закаленных сталей и высокопрочных чугунов применяют инструмент, изготовленный из крупных поликристаллов (диаметром 3...6 мм и длиной 4...5 мм) на основе кубического нитрида бора (эльбора Р). Твердость эльбора Р приближается к твердости алмаза, а его температуростойкость в два раза выше температуростойкости алмаза. Эльбор Р химически инертен к материалам на основе железа. Предел прочности поликристаллов при сжатии 4...5 ГПа (400... 500 кгс/мм 2), при изгибе - 0,7 ГПа (70 кгс/мм 2), температуростойкость 1350... 1450°С.

Из других СТМ, применяемых для обработки резанием, следует отметить синтетические алмазы балас (марка АСБ) и карбонадо (марка АСПК). Карбонадо химически более активен к углеродсодержащим материалам, поэтому его используют при точении деталей из цветных металлов, высококремнистых сплавов, твердых сплавов ВК10... ВК30, неметаллических материалов. Стойкость резцов из карбонадов в 20... 50 раз выше стойкости резцов из твердых сплавов.

Контрольные вопросы

Какие материалы называют инструментальными?
На какие классы делят инструментальные материалы?
Какими свойствами обладают твердые сплавы?
Что такое твердые сплавы групп ВК и ТК?

Основные требования к инструментальным материалам следующие:

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

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.

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

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.

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.

16 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).

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 единицыHRC.

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 вольфрамаWC, титанаTiC, танталаTaCи ниобияNbC, 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…76HRC) 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:

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;

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;

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;

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

Минералокерамика. Ее основу составляют оксиды алюминияAl 2 О 3 с небольшой добавкой (0,5…1%) оксида магнияMgO. 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.

Основные требования к инструментальным материалам — наличие твердости, стойкости к изнашиванию, воздействию тепла и др. Соответствие этим критериям позволяет осуществлять резание. Чтобы осуществить внедрение в поверхностные слои изделия, подвергающегося обработке, лезвия для резки рабочей части должны быть сделаны из прочных сплавов. Твердость может быть природной или же приобретенной.

К примеру, инструментальные стали заводского изготовления режутся легко. После и термическим способом, а также шлифовки и затачивания, уровень их прочности и твердости повышается.

Как определяется твердость?

Характеристику можно определить разными способами. Инструментальные стали обладают твердостью по Роквеллу, твердость имеет цифровое обозначение, а также буквенное HR со шкалой А, В или С (например, HRC). Выбор инструментального материала зависит от вида обрабатываемого металла.

Самый устойчивый уровень функционирования и низкая изнашиваемость лезвий, которые прошли термическую обработку, может быть достигнута при показателе HRC 63 или 64. При более низком показателе свойства инструментальных материалов не столь высоки, а при высокой твердости они начинают крошиться из-за хрупкости.

Металлы, обладающие твердостью HRC 30—35, прекрасно подвергаются обработке железными инструментами, прошедшими термическую обработку с показателем HRC 63—64. Таким образом, соотношение показателей твердости составляет 1:2.

Для обрабатывания металлов с HRC 45—55 следует применять приспособления, основу которых составляют твердые сплавы. Показатель их составляет HRA 87—93. Материалы на основе синтетики можно применять при обрабатывании сталей, подвергшихся закалке.

Прочность инструментальных материалов

В процессе резки на рабочую часть воздействует сила в10 кН и выше. Она провоцирует высокое напряжение, которое может повлечь за собой разрушение инструмента. Чтобы этого не случилось, материалы для резки должны обладать высоким коэффициентом прочности.

Лучшим сочетанием характеристик прочности имеют инструментальные стали. Рабочая часть, выполненная из них, прекрасно выдерживает сильную нагрузку и может функционировать при сжатии, кручении, изгибе и растяжении.

Воздействие критической температуры нагрева на лезвия инструмента

При выделении теплоты при резке металлов нагреванию подвержены их лезвия, в большей степени - поверхности. При показателе температуры ниже критической отметки (для каждого материала она своя) структура и твердость не меняются. Если температура нагрева становится выше допустимой нормы, то уровень твердости падает. называют красностойкостью.

Что обозначает термин «красностойкость»?

Красностойкостью называется свойство металла при нагревании до температуры в 600 °С светиться темно-красным цветом. Термин подразумевает сохранение металлом твердости и стойкости к изнашиванию. По своей сути это способность противостоять воздействию высокой температуры. Для различных материалов существует свой предел, от 220 до 1800 °С.

За счет чего может быть увеличена работоспособность режущего инструмента?

Инструментальные материалы отличаются повышенной функциональностью при повышении температурной стойкости и улучшении отведения теплоты, выделяющейся на лезвии при резке. Теплота способствует повышению температуры.

Чем больше теплоты отведено от лезвия вглубь устройства, тем ниже показатель температуры на его контактной поверхности. Уровень теплопроводности зависит от состава и нагрева.

К примеру, содержание в стали таких элементов, как вольфрам и ванадий, вызывает снижение уровня ее теплопроводности, а примесь титана, кобальта и молибдена вызывает его повышение.

От чего зависит коэффициент трения скольжения?

Показатель скольжения находится в зависимости от состава и физических свойств контактирующих пар материалов, а также от значения напряжения на поверхностях, подвергшихся трению и скольжению. Коэффициент влияет на стойкость к изнашиванию материала.

Взаимодействие инструмента с материалом, подвергшимся обработке, протекает при постоянном подвижном контакте.

Как себя ведут в этом случае инструментальные материалы? Виды их в равной степени изнашиваются.

Их характеризует:

способность стирать металл, с которым он контактирует;
способность проявлять стойкость к изнашиванию, то есть оказывать сопротивление стиранию другого материала.

Износ лезвий происходит постоянно. В результате этого приспособления утрачивают свои свойства, а также меняется форма их рабочей поверхности.

Показатель износостойкости может меняться в зависимости от условий, при которых протекает резка.

На какие группы подразделяются инструментальные стали?

Основные инструментальные материалы можно подразделить на следующие категории:

металлокерамика (твердые сплавы);
керметы, или минеральная керамика;
нитрид бора на основе синтетического материала;
алмазы на синтетической основе;
инструментальные стали на углеродистой основе.

Инструментальное железо может быть углеродистым, легированным и быстрорежущим.

Инструментальные стали на углеродистой основе

Углеродистые вещества стали использовать для изготовления инструментов. Их невелика.

Как маркируются инструментальные стали? Материалы обозначаются буквой (к примеру, «У» означает углеродистая), а также цифрой (показатели десятых доли процента содержания углерода). Присутствие буквы «А» в конце маркировки свидетельствует о высоком качестве стали (содержание таких веществ, как сера и фосфор, не превышает 0,03 %).

Углеродистый материал характеризует твердость с показателем HRC 62—65 и низкий уровень стойкости к температурам.

Марки инструментальных материалов У9 и У10А применяются при изготовлении пил, а серии У11, У11А и У12 предназначены для ручных метчиков и др. инструментов.

Уровень стойкости к температуре сталей серии У10А, У13А составляет 220 °С, поэтому инструмент из таких материалов советуется использовать при скорости резки 8—10 м/мин.

Легированное железо

Легированный инструментальный материал может быть хромистым, хромокремнистым, вольфрамовым и хромовольфрамовым, с примесью марганца. Такие серии обозначаются числами, а также они обладают буквенной маркировкой. Первая левая цифра свидетельствует о коэффициенте содержания углерода в десятых долях в случае, если содержание элемента составляет меньше 1%. Правые цифры символизируют средний показатель легирующей составляющей в процентах.

Марка инструментального материала Х пригодна для изготовления метчиков и плашек. Сталь В1 применима для изготовления сверл небольшого размера, метчиков и разверток.

Уровень стойкости к температуре у легированных веществ составляет 350—400 °С, поэтому скорость резки в полтора раза больше, чем для углеродистого сплава.

Для чего применяют высоколегированные стали?

Различные инструментальные материалы быстрой резки используются при изготовлении сверл, зенкеров и метчиков. Они маркируются буквами, а также цифрами. Важными составляющими материалов являются вольфрам, молибден, хром и ванадий.

Быстрорежущие стали делятся на две категории: нормальные и с повышенным уровнем производительности.

Стали с нормальной производительностью

К категории железа с нормальным уровнем производительности можно отнести марки Р18, Р9, Р9Ф5 и вольфрамовые сплавы с примесью молибдена серии Р6МЗ, Р6М5, которые сохраняют твердость не ниже HRC 58 при 620 °С. Материал пригоден для обрабатывания сталей с содержанием углерода и низколегированной категории, серого чугуна и цветных сплавов.

Стали с повышенной производительностью

К этой категории можно отнести марки Р18Ф2, Р14Ф4, Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2. Они способны сохранять показатель HRC 64 при температуре от 630 до 640 °С. В эту категорию входят сверхтвердые инструментальные материалы. Она предназначена для железа и сплавов, которые обрабатываются с трудом, а также для титана.

Твердые сплавы

Такие материалы бывают:

металлокерамическими;
минеральными керамическими.

Форма пластин находится в зависимости от свойств механики. Такие инструменты функционируют при высокой скорости резки по сравнению с быстрорежущим материалом.

Металлокерамика

Твердые сплавы из металлокерамики бывают:

вольфрамовыми;
вольфрамовыми с содержанием титана;
вольфрамовыми с включением титана и тантала.

Серия ВК включает вольфрам и титан. Инструменты на основе этих составляющих обладают повышенной износостойкостью, но уровень сопротивления ударам у них низкий. Приспособления на такой основе используют для обрабатывания чугуна.

Сплав из вольфрама, титана и кобальта применим ко всем видам железа.

Синтез вольфрама, титана, тантала и кобальта используется в особенных случаях, когда другие материалы оказываются малоэффективными.

Твердые сплавы характеризуются высоким уровнем стойкости к температуре. Материалы из вольфрама могут сохранить свое свойство с показателем HRC 83—90, а вольфрамовые с титаном — с HRC 87—92 при температуре от 800 до 950 °С, что дает возможность функционирования на высокой скорости резки (от 500 м/мин до 2700 м/мин при обрабатывании алюминия).

Для обрабатывания деталей, обладающих стойкостью к ржавлению и повышенной температуре, применяются инструменты из серии мелкозернистых сплавов ОМ. Марка ВК6-ОМ подходит для чистового обрабатывания, а ВК10-ОМ и ВК15-ОМ — для получистового и чернового.

Еще большей эффективностью при работе с «трудными» деталями обладают сверхтвердые инструментальные материалы серии BK10-XOM и ВК15-ХОМ. В них карбид тантала заменен на что делает их более прочными даже при воздействии высокой температуры.

Чтобы повысить уровень прочности пластины из твердого вещества, прибегают к ее покрытию защитной пленкой. Применяется карбид, нитрид и карбонит титана, который наносится очень тонким слоем. Толщина составляет от 5 до 10 мкм. В результате образуется слой мелкозернистого Уровень стойкости таких пластин в три раза выше, чем у пластин без специального покрытия, что повышает скорость резки на 30%.

В некоторых случаях применяются материалы из металлокерамики, которые получаются из алюминиевой окиси с добавлением вольфрама, титана, тантала и кобальта.

Минеральная керамика

Для режущего инструмента применяют минеральную керамику ЦМ-332. Ей присуща стойкость к повышенной температуре. Показатель твердости HRC составляет от 89 до 95 при 1200 °С. Также материал характеризуется износостойкостью, что позволяет вести обработку стали, чугуна и цветных сплавов при высоких скоростях резания.

Чтобы изготовить режущие инструменты, также используют кермет серии В. Его основу составляют оксид и карбид. Введение в состав минеральной керамики карбида металла, а также молибдена и хрома, способствует оптимизации физико-механических свойств кермета и устраняет его ломкость. Повышается скорость резки. Получистовая и чистовая обработка приспособлением на основе кермета применяется для серого трудно обрабатываемой стали и ряда цветных металлов. Процесс проводится со скоростью 435—1000 м/мин. Керамика для резки отличается стойкостью к воздействию температуры. Ее твердость по шкале составляет HRC 90—95 при 950—1100 °С.

Для обрабатывания железа, прошедшего закалку, прочного чугуна, а также стеклопластика используется орудие, режущая часть которого произведена из твердых веществ, содержащих нитрид бора и алмазы. Показатель твердости эльбора (нитрид бора) примерно такой же, как и у алмаза. Его стойкость к температуре в два раза выше, чем у последнего. Эльбор отличается инертностью к железным материалам. Предел уровня прочности его поликристаллов при сжимании составляет 4—5 ГПа (400—500 кгс/мм 2), а при изгибании - 0,7 ГПа (70 кгс/мм 2). Стойкость к температуре имеет до предела 1350—1450 °С.

Также следует отметить алмаз на синтетической основе баллас серии АСБ и карбонадо серии АСПК. Химическая активность последнего к содержащим углерод материалам более высокая. Именно поэтому он применяется при заточке деталей из цветных металлов, сплавов с высоким содержанием кремния, твердых материалов ВК10, ВК30, а также неметаллических поверхностей.

Показатель стойкости резцов карбонада - в 20—50 раз больше уровня стойкости твердых сплавов.

Какие сплавы получили распространение в промышленности?

Во всем мире выпускаются инструментальные материалы. Виды, употребляемые в России, США и в Европе, по большей части не содержат вольфрам. Они относятся к серии КНТ016 и ТН020. Эти модели стали заменой марок Т15К6, Т14К8 и ВК8. Они применяются для обрабатывания сталей для конструкций, нержавейки и инструментальных материалов.

Новые требования к инструментальным материалам обусловлены дефицитом вольфрама и кобальта. Именно с этим фактором связано то, что в США, странах Европы и России постоянно разрабатываются альтернативные методы получения новых твердых сплавов, не содержащих вольфрам.

К примеру, инструментальные материалы изготовления американской компании Adamas Carbide Co серии Titan 50, 60, 80, 100 содержат карбид, титан и молибден. Увеличение номера свидетельствует о степени крепости материала. Характеристика инструментальных материалов этого выпуска подразумевает высокий уровень прочности. К примеру, серия Titan100 обладает прочностью в 1000 МПа. Она является конкурентом керамики.