Инструментальные материалы

инст­рументальные материалы играют решающую роль в повышении про­изводительности труда и формировании поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Производительность режущего инструмента в значительной степени зависит от продолжительности работы, в тече­ние которой сохраняется его режущая способность.Для получения инструментов с высокими режущими свойствами инструментальные материалы должны удовлетворять следующим ос­новным требованиям:1)иметь высокую теплостойкость и износостойкость;2)быть прочными и высокотвердыми;3)обладать достаточной теплопроводностью;4)иметь возможность обрабатываться в холодном и горячем со­стоянии;

5)быть экономичными.Под теплостойкостью (красностойкостью) материала понимается его способность сохранять свои физико-механические свойства, в ча­стности твердость, при высокой температуре.Большое значение имеет теплопроводность инструментального материала. Чем ниже теплопроводность, тем меньше теплоотдача и выше температура инструмента в процессе резания. Теплопровод­ность повышается с увеличением содержания в инструментальном материале компонентов с максимальной теплопроводностью.К инструментальным материалам относятся:углеродистые инструментальные стали;легированные инструментальные стали;быстрорежущие стали;

металл ок ерами чески с материалы (твердые сплавы);минералокерамические материалы;

абразивные материалы;алмазы;сверхтвердые материалы.

8. Сверхтвердые материалы.Наряду с минералокерамикой разра­ботаны сверхтвердые инструментальные материалы, предназначен­ные для чистовой обработки материалов с большой твердостью (HRC 60), а также материалов при высоких скоростях резания (свыше 10 We). К их числу относятся материалы на основе кубического нитрида бора (КНБ).Кубический нитрид бора - новый сверхтвердый материал. Он представляет собой соединение двух химических элементов - бора 43,6% и азота 56,4%. КНБ - весьма твердый, теплостойкий и химиче­ски устойчивый материал. По твердости он близок к алмазу. Тепло­стойкость КНБ 1300°С. КНБ выпускается под названием эльбор. Обозначается Л. В зависимости от размера зерен эльбор выпускается двух групп: шлифпорошки и микропорошки.Сверхтвердые синтетические материалы - это композиционные поликристаллические материалы, обладающие весьма высокой твер­достью, приближающейся к твердости алмаза. Существуют три их разновидности: композиты (композит 01 - эльбор - Р; композит 05; композит 10(гексонит-Р); исмит), карбонадо и силинит.Карбонадо - более плотные модификации синтетического алмаза, по твердости он превосходит композиты, но уступает по теплостой­кости.Все они выпускаются в виде цилиндров диаметром 4-6 мм и вы­сотой 3-6 мм или в виде пластин.Силинит Р - новый сверхтвердый синтетический материал HRA-94...96, но недостаточно прочен. Применяется для лезвийных инст­рументов в виде пластин для чистовой и тонкой обработки.

5,Углеродистые инструментальные сталиразделяются на стали обыкновенного качества и высококачественные (ГОСТ 1435-74), при­чем в высококачественных содержится меньше серы и фосфора, до 0,03 % каждого.К сталям обыкновенного качества относят стали У7-У13,а к вы­сококачественным У7А-У13А, где цифры означают в среднем деся­тые доли процентного содержания углерода. Кроме этого, в состав сталей входят Cr, Ni, Mo в пределах 0,15-0,20 %, а также Mn, Si, каж­дый от 0,15 до 0,30 %.Углеродистые инструментальные стали имеют низкие режущие свойства. Их теплостойкость до 200°С. При температуре резания вы­ше 200"С стали резко теряют твердость и стойкость, что объясняется строением и свойствами структуры мартенсита. Инструменты из этих сталей должны применяться, когда температура резания не превыша­ет 200°С.Из-за низкой режущей способности углеродистые стали марок У7-У9 используют для изготовления слесарных, деревообраба­тывающих и кузнечных инструментов; У10А-У13А - для ручных ре­жущих инструментов (напильники, метчики, развертки), а также для (машинных) инструментов, работающих на низких скоростях резания (К<0.15-0.25 м/с).

Легированные инструментальные стали имеют в своем составе небольшое содержание таких легирующих элементов, как Mn, Si, Cr, W, V. Легированные стали имеют более высокие режущие свойства, чем углеродистые. Их теплостойкость~-250°С, они более износостой­ки и меньше коробятся при термообработке. Стали применяются для изготовления штампов, режущего (сверл, плашек, фрез, метчиков, разверток, протяжек), измерительного и слесарного инструмента,Ос­новные марки сталей - это 9ХС, ХВГ, ХВСГ, Х6ВФ и др. Наиболее распространены 9ХС и ХВГ. Недостаток стали 9ХС: плохо шлифует­ся (надиры на поверхности). Сталь ХВГ меньше коробится при тер­мообработке, поэтому используется при изготовлении инструмента сравнительно большой длины и работающего с невысокими скоро­стями резания; это протяжки, длинные развертки, метчики и др. ин­струмент. Быстрорежущие сталиимеют более высокие режущие свойства, чем легированные инструментальные стали. Быстрорежущие стали допус­кают больщую примерно в 2-3 раза скорость резания по сравнению с легированными сталями. Из них изготавливают примерно 70 % лез­вийных инструментов.Быстрорежущие стали делятся на стали нормальной теплостой­кости (Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р6М5) и стали повышенной теплостойко­сти (Р9К5, Р9К10, Р12ФЗ, Р10Ф5К5, Р18Ф2К5, Р6М5К5, P9M4KS и Быстрорежущие стали первой группы отличаются в основном процентным содержанием W, V, Мо. У них износостойкость в 2 раза, а теплостойкость в 3 раза выше, чем у углеродистых инструменталь­ных сталей. Эти стали используются' для изготовления различных режущих инструментов при обработке конструкционных сталей, чугунов и цветных металлов и сплавов.Сталь Р9 рекомендуется применять для изготовления инструмен­тов более простой конфигурации из-за плохой шлифуемости.

Стали Р12 и Р18 - для изготовления сложных и ответственных инструментов, таких, как фасонные резцы, резьбообрабатывающие инструменты и зуборезный инструмент, а также протяжки и разверт­ки.Однако стали Р9, Р12 и Р18 имеют ограниченное применение из-за дефицита вольфрама. Поэтому в последние годы созданы быстро­режущие стали Р6МЗ и Р6М5. В настоящее время производство стали Р6М5 составляет около 75% общего выпуска быстрорежущих сталей. Быстрорежущие стали повышенной теплостойкости можно раз­делить на вольфрамокобальтовые; вольфрамованадиевыс;вольфрамокобальтованадиевые и вольфрамокобальтомолибденовые .Вольфрамокобальтовые (Р9К5, Р9К10) имеют более высокую те­плостойкость (630-640°С) и твердость после термообработки HRC 64-67Волъфрамованадиевые стали (Р12ФЗ, Р9Ф5, Р18Ф2 и др.) более износостойкие и прочнее, чем вольфрамовые и вояъфрамомолибденовые стали. Теплостойкость порядка 620 - 630°С.

Вольфрамокобальтованадиевьте стали (Р10Ф5К5, Р18Ф2К5 и др.) по своим режущим свойствам не уступают вольфрамокобальтовым сталям и имеют большую прочность и износостойкость. Вольфрамокобальтомолибденовые стали (Р6М5К5, Р9М4К8 и др.) созданы для замены высоковольфрамовых быстрорежущих ста­лей.

6.Металлокерамические твердые сплавышироко применяются для изготовления различного режущего инструмента. С появлением твердых сплавов произошел резкий скачок в металлообработке. Ско­рости резания возросли в 5-10 раз по сравнению с обработкой инст­рументами из быстрорежущих сталей.В настоящее время нашей промышленностью выпускаются одно-карбидные, двухкарбидные и трехкарбидные твердые сплавы -вольфрамовые (ВК), титановольфрамовые (ТК) и танталотитано-вольфрамовые (ТТК).

Твердые сплавы подразделяются на марки, отличающиеся одна от другой физико-механическими свойствами и процентным содер­жанием входящих в них элементов.Группа ВК: ВК2, ВКЗ, ВК4, ВКЗМ, ВК6, ВК6М, ВК8, ВК60М, ВК8В и др. Буква М означает, что сплав мелкозернистый величина зерна до 1мкм, а В - высокопрочный, крупнозернистый, в которых размер зерен 3-5 мкм. У других марок сплавов этой группы размеры зерен 1-2 мкм.Группа ТК: Т15К6, , Т14К8, Т5К12 Группа ТТК: ТТ7К12, ТТ10К8Б, ТТ20К9 и др.Твердость соответственно групп HRA: 91-86; 92-87; 87-89. Хими­ческий состав твердых сплавов легко расшифровывается по обозна­чению марок.Так, в сплаве:1) ВК2 содержится 98% WC и 2% Со.2) ВК8 содержится 92% WC и 8% Со.3) Т15К6 содержится 79% WC,15% TiCa6% Co.4) ТТ7К12 содержится 81%WC,4%TiC и 3%ТаС, 12%Со.5) ТТ20К9 содержится 71%WC,8%TiC, 12%TaC, 9%Co. Карбиды вольфрама, титана и тантала являются как бы режущими составляющими. В качестве связки выступает Со. Чем меньше Со в сплаве, тем он более твердый, но более хрупкий, и прочность его ниже.Теплостойкость их 8О0...95О°С.Износостойкость выше быстрорежущих -в 50 раз.Безвольфрамовые твердые сплавы. В связи с дефицитом W поя­вились так называемые безвольфрамовые твердые сплавы. Основой их является TiC, (TrNb)C и TiNC, т.е. карбидыТл и Nb или карбоеит-риды TiNC; а связкой - Ni или № и Мо.Эти сплавы имеют высокую теплостойкость, низкую теплопро­водность, но имеют высокую твердость (HRA 89-90). Они применя­ются для чистовой и получистовой обработки. Стойкость инструмен­тов из этих сплавов в1,5 раза выше, чем из Т15К6.

7.Минералокерамические материалы. В основе минералокера-мики лежит окись алюминия А5₂Оз- По сравнению с другими инстру­ментальными материалами она дешевле. ЦМ-332 оксидная минерало-керамика имеет более высокую твердость (на 2-5 единиц}, а тепло­стойкость 1200°С, имеет повышенную износостойкость по сравнению с твердыми сплавами. Однако этот материал хрупок и малопрочен.Используемая до настоящего времени оксидная микрокерамика ЦМ-332 не нашла широкого применения в качестве режущего мате­риала вследствие ее малой прочности о„ -300 МПа.Всесоюзный научно-исследовательский институт абразивов и шлифования (ВНИИАШ) создал оксидную керамику марки ВШ-75, ее рекомендуется применять при чистовой и получистовой обработка сталей и чугунов. Минер'алокерамика допускает скорость резания в 1,5-2 раза выше, чем твердые сплавы.

9.Абразивные материалы- это вещества природного или синте­тического происхождения, содержащие минералы высокой твердо­сти и прочности, зерна и порошки которых способны обрабатывать поверхности других телпутем царапания, скобления или истирания, Их применяют для изготовления шлифованных и заточных кругов, головок, брусков, хонов,доводочных порошков и паст.

Абразивные материалы разделяют на естественные и искусствен­ные.

К первым относятся кварц SiO_2j наждак и корунд. Все они имеют сравнительно низкие режущие свойства и поэтому мало применяются в абразивной промышленности. Кроме того, залежи корунда в приро­де ограничены.

Алмазы бывают естественные и искусственные.

Природные алмазы кристаллизовались на большой глубине при огромном давлении земных недр и высокой температуре (2000-2500°С) из расплавленной магмы, содержащей углерод.

Алмаз - самый твердый в природе минерал (10⁵ МПа), устойчи­вый к физическим и химическим воздействиям. Теплостойкость ал­маза сравнительно невысока - 700 °С (в среде кислорода).

Алмазы бывают ювелирные и технические.

На технические цели используют 80% природных алмазов. Они используются при изготовлении шлифованных кругов и паст, а так­же для алмазно-металлических карандашей.

Технические алмазы разделяются на бортсы, баллаш и карбона­до. Наиболее лучшие из них - карбонадо. Наиболее эффективно алмазные инструменты применять при об­работке твердых сплавов, керамики, мрамора и стекла. Примерно 80% алмазных порошков используют для изготовления шлифоваль­ных кругов, притиров, хонов и др., а остальные 20% в виде порошков и паст.

26 Протягивание является одной из точных чистовых операций, применяемых в массовом и крупносерийном производствах для обработки сквозных отверстий и наружных поверхностей разнообразного профиля. При профильной схеме резания срезание припуска производится зубьями, профиль которых подобен профилю попереч­ного сечения обработанной поверхности, а профиль последнего зуба точно соответствует профилю изделия. К примеру, при обработке квадрата все зубья протяжки имеют конфигурацию квадрата, стороны которого увеличиваются на толщину среза а. Как правило, профиль­ная схема обеспечивает высокое качество обработанной поверхности. Существенными недостатками данной схемы резания можно отме­тить сложность изготовления фасонного контура зубьев протяжки, возможность возникновения больших сил резания.

Значительно проще в изготовлении протяжки, работающие по генераторной схеме резания .При этой схеме каждый зуб протяжки участвует в обработке поверхности. Постепенное суммиро­вание (генерирование) обработанной поверхности из отдельных уча-стков определило названные схемы резания. Например, при обработ­ке квадратного отверстия по генераторной схеме резания первый зуб протяжкиимеет форму окружности, промежуточные зубья - форму дуг, а последний зуб-форму уголка. Радиус каждого последующего зуба увеличивается на толщину среза а. Шероховатость обработан­ной поверхности при работе по генераторной схеме несколько выше (т.е. класс шероховатости ниже), чем при работе по профильной схе­ме.

При прогрессивной схеме резания зуб протяжки полностью сре­зает слой обрабатываемого параметра на определенном участке . К примеру, первый зуб снимает слой шириной Ь_}, вто­рой - два участка параметра, каждый шириной Ь₂ и, наконец, третий зуб - оставшиеся два участка периметра шириной по Ь₃. В результате работы трех зубьев удаляется припуск по всей ширине.

Прогрессивную схему резания называют еще групповой, так как заданный профиль на детали воспроизводится группой зубьев. При таком разделении работы между зубьями прогрессивной протяжки снимается короткая, но более толстая стружка, что приводит в свою очередь к снижению сил резания. Поэтому прогрессивная схема реза­ния нашла наиболее широкое применение при большом припуске, при обработке по корке и при обработке внутренних поверхностей больших размеров. Эту схему резания целесообразно применять и при обработке деталей, обладающих низкой жесткостью.

Основной недостаток протяжек с прогрессивной схемой резания - сложность изготовления протяжек.

19.Конструкция и элементы спирального сверла.У спи­рального сверла различают следующие части

1 - режущую часть сверла, заточенную на конус;

2 - направляющую часть сверла, обеспечивающую направление в процессе сверления;

3 - рабочую часть сверла, состоящую из режущей и направляю­щей частей сверла;

4 - шейку;

5 - хвостовик - для закрепления и передачи крутящего момента;

6 - лапку - для выбивания из отверстия шпинделя;

Основными элементами спирального сверла являются:

1 - передняя поверхность - винтовая поверхность, по которой сходит стружка

2 - задняя поверхность, обращенная к поверхности резания;

3 - режущая кромка - линия, образо­ванная пересечением передней и задней поверхностей; главных режущихкромок у сверла - две;

4 - ленточка - обеспечивает сверлу направление при резании;

5 — поперечная кромка (перемычка). Две режущие кромки, расположенные

на режущей части, образуют угол при вершине 2<р;1<р = 125...135° при обработке жаропрочных материалов;2<р =90... 120° при обработке алюминиевых сплавов;20 =80...90° при обработке хрупких материалов (мрамор и т.д.);

у/ - угол наклона поперечной кромки; при правильной заточкеу/ = 50. ..55°.

w - угол наклона стружечной канавки (от 18" до 30°).

С увеличением еа уменьшается прочность сверла. Обычноw=30".