Инструментальные материалы: достоинства и недостатки. Пути совершенствования инструментальных материалов.

Среди достоинств инструментальных сталей можно выделить их невысокую стоимость и достаточно хороший показатель твердости в сравнении с другими типами инструментальных материалов. отличается повышенной степенью прокаливаемости. Недостатки: невысокие показатели износостойкости и красностойкости.

Твёрдые сплавы. Высокая твёрдость, теплопроводность, износостойкость. Не технологичны, ограниченно шлифуются

Минералокерамические инструментальные материалы обладают высокой твердостью, тепло- и износостойкостью. Не выдерживают ударных нагрузок, хрупкие.

Сверхтвёрдые – Очень твёрдые, высокая теплостойкость, высокая износостойкость. Минусы: очень дорогие, низкая твёрдость на изгиб, относительно низкая теплопроводность

Режущие части металлорежущих инструментов изготавливают из инструментальных материалов, к которым относятся:

1. Быстрорежущие стали.

2. Твердые сплавы.

3. Минералокерамика.

4. Сверхтвердые материалы.

Быстрорежущие стали представляют собой высоколегированные стали, содержащие около 1 % углерода, основными легирующими элементами в которых являются вольфрам и молибден. Стали повышенной теплостойкости, обеспечивающие более высокие режимы резания и дающие возможность обрабатывать труднообрабатываемые материалы, содержат дополнительно в качестве легирующего элемента кобальт. Наиболее эффективны режущие инструменты из порошковых быстрорежущих сталей, обладающих большей прочностью. Часто из таких сталей изготавливают метчики для обработки труднообрабатываемых материалов, т.к. в этом случае важно обеспечить прочность режущих кромок малого размера.

Основное достоинство быстрорежущих сталей – высокая прочность. Недостаток – низкая теплостойкость (способность сохранять свойства при повышенных температурах), из-за чего скорости резания быстрорежущим инструментом невысоки.

Из быстрорежущих сталей изготавливают в первую очередь осевой, зубообрабатывающий и резьбонарезной инструмент: сверла , концевые фрезы, развертки, зенкеры, метчики, плашки, червячные модульные фрезы и др.

Область применения:

1. Низкая жесткость технологической системы, вибрации при резании, работа с большими вылетами инструмента, ударные нагрузки, т.е. те случаи, когда важна прочность инструмента.
2. Единичное и мелкосерийное производство дешевых деталей, когда требования по производительности невысоки, т.к. стоимость быстрорежущего инструмента в большинстве случаев значительно меньше, чем твердосплавного.
3. Некоторые режущие инструменты в принципе изготавливаются только из быстрорежущих сталей, например, плашки, сверхдлинные спиральные сверла длиной до 100 диаметров, что связано с особенностями работы этих инструментов (низкие скорости резания, большие вылеты), когда нецелесообразно применять твердые сплавы.
4. Быстрорежущими инструментами возможна обработка материалов твердостью не выше 45 HRC.

Твердые сплавы являются наиболее распространенными инструментальными материалами, инструментами из которых снимается основной объем стружки. Твердые сплавы представляют собой металлокерамические спеченные порошковые композиты, содержащие зерна карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, титана, тантала), кобальтовую связку и ряд легирующих элементов, выполняющие вспомогательные функции, например, обеспечивающие измельчение карбидных зерен. Высокая твердость и теплостойкость твердых сплавов позволяет достигать высоких скоростей резания и обрабатывать материалы твердостью до 70 HRC. Использование при производстве твердых сплавов дорогостоящих редкоземельных металлов, а также сложный энергоемкий технологический цикл их производства приводят к высокой цене твердых сплавов, что, однако, компенсируется высокой производительностью твердосплавного инструмента.

Из твердых сплавов изготавливают сменные многогранные пластины (СМП), сменные режущие части, напайные пластины и монолитные инструменты (концевые и дисковые фрезы, сверла, развертки, метчики и др.)

Группы твердых сплавов:

1. Однокарбидные твердые сплавы. В качестве основной режущей фазы содержат карбид вольфрама. Некоторые отечественные марки: ВК6, ВК6ОМ; иностранные H10F, H13A, HTi10 и др. Основная область применения однокарбидных твердых сплавов – монолитные инструменты, и СМП для обработки легких сплавов, а также вязких материалов.
2. Двух- и трехкарбидные твердые сплавы. В качестве основной режущей фазы содержат сложные карбиды титана, тантала и вольфрама. Некоторые отечественные марки (без покрытий): двухкарбидный сплав Т5К10, трехкарбидный ТТ20К9; иностранные сплавы как правило служат основой для нанесения износостойких покрытий и в чистом виде не применяются. Наиболее яркие примеры: Sandvik GC4225, Sandvik GC1030, Mitsubishi VP15TF. Основная область применения таких сплавов – сменные многогранные пластины.
3. Безвольфрамовые твердые сплавы (керметы). В качестве основной режущей фазы содержат карбиды и карбонитриды титана. Обладают большей износостойкостью, но меньшей прочностью по сравнению с предыдущими группами сплавов. Применяются керметы с покрытием и без. Керметы используются для чистовой обработки, чему способствует специфический характер износа – кромка инструмента изнашивается округлением, а не образованием фаски, благодаря чему больше стабильность получаемых размеров деталей. Примеры: Sandvik CT5015 (непокрытый), Sandvik GC1525 (кермет с покрытием), Mitsubishi NX2525.

Минералокерамика представляет собой высокопроизводительный инструментальный материал основу которого составляют оксиды, карбиды или нитриды алюминия и кремния. Вместе с твердыми сплавами минералокерамика в настоящее время составляет основу эффективной металлообработки, позволяя благодаря высокой твердости и теплостойкости использовать максимально высокие скорости резания. Растущее распространение минералокерамики также связано с отсутствием в ее составе редкоземельных металлов. Из минералокерамики изготавливают только сменные многогранные пластины для токарной и фрезерной обработки. Высокая теплостойкость минералокерамики позволяет применять ее для «сухой» обработки, т.е. без использования СОЖ, что существенно снижает себестоимость обработки резанием и уменьшает вредное воздействие на здоровье людей и окружающую среду. Минералокерамика обеспечивает высокое качество обработки благодаря стабильности термохимических свойств и низкой адгезии с обрабатываемым материалом.

К сверхтвердым материалам (СТМ) относятся кубический нитрид бора (КНБ, в английской транскрипции CBN) и поликристаллический алмаз (ПКА, соответственно – PCD). Эти материалы обладают самой высокой твердостью и износостойкостью, но одновременно и наименьшей среди инструментальных материалов прочностью.

Из КНБ изготавливают токарные пластины для получистовой и чистовой токарной обработки чугунов и закаленных сталей, причем возможна обработка материалов твердостью 60 – 70 HRC. При этом допускается как легкая обработка, так и резание с ударами. Применение КНБ в ряде случаев позволяет исключить необходимость абразивной обработки на чистовых операциях. Режущие пластины могут быть целиком изготовлены из КНБ или иметь режущие элементы из КНБ на рабочих уголках, что более экономично (рис. 2.6). Кроме этого применяются концевые фрезы с напайными пластинами из КНБ для чистового фрезерования закаленных сталей, а также фрезерные пластины для обработки чугуна. Пластины из КНБ могут иметь износостойкие PVD-покрытия. Обработка инструментами из КНБ производится без применения СОЖ во избежания растрескивания инструмента под воздействием термоудара. Пример КНБ: Sandvik CB7015, отечественный КНБ «эльбор».

К сверхтвердым материалам (СТМ) относятся кубический нитрид бора (КНБ, в английской транскрипции CBN) и поликристаллический алмаз (ПКА, соответственно – PCD). Эти материалы обладают самой высокой твердостью и износостойкостью, но одновременно и наименьшей среди инструментальных материалов прочностью.

Из КНБ изготавливают токарные пластины для получистовой и чистовой токарной обработки чугунов и закаленных сталей, причем возможна обработка материалов твердостью 60 – 70 HRC. При этом допускается как легкая обработка, так и резание с ударами. Применение КНБ в ряде случаев позволяет исключить необходимость абразивной обработки на чистовых операциях. Режущие пластины могут быть целиком изготовлены из КНБ или иметь режущие элементы из КНБ на рабочих уголках, что более экономично (рис. 2.6). Кроме этого применяются концевые фрезы с напайными пластинами из КНБ для чистового фрезерования закаленных сталей, а также фрезерные пластины для обработки чугуна. Пластины из КНБ могут иметь износостойкие PVD-покрытия. Обработка инструментами из КНБ производится без применения СОЖ во избежания растрескивания инструмента под воздействием термоудара. Пример КНБ: Sandvik CB7015, отечественный КНБ «эльбор».

Задачи стоящие перед инженером при проектировании металлообрабатывающего инструмента. Использование результатов научных исследований при создании новых конструкций инструментов и методов обработки резанием; основные

Исходными данными для проектирования инструмента являются параметры обрабатываемой детали, в частности, материал, твердость, форма и размеры обрабатываемой поверхности, требования по точности и шероховатости, размеры поверхностей до обработки. Кроме этого, указываются объем производства деталей, применяемое оборудование, в ряде случаев задаются режим обработки, производительность и др.

Общий порядок проектирования заключается в следующем:

1. Определение вида инструмента, его конструктивного оформления и основных размеров.

2. Составление общей схемы расчетами его последовательности.

3. Выбор материала режущей части, типа конструкции (цельная, сборная) и основных размеров конструктивных элементов.

4. Геометрические, точностные, прочностные и прочие расчеты основных размеров режущей части, профиля режущих кромок, исполнительных размеров (диаметра посадочного отверстия и др.).

5. Определение остальных размеров.

6. Оформление рабочего чертежа инструмента и назначение технических требований.

7. Проверка обеспечения требований по точности обработки, производительности, экономичности и другим критериям.

8. Определение экономической скорости резания и стойкости инструмента с учетом требований к качеству обрабатываемой поверхности.

9. Технико-экономическая оценка разработанной конструкции» составление карты, технического уровня и патентного формуляра.

При проектировании одного из инструментов должно быть проведено углубленное исследование литературных и патентно-лицензионных источников. В обоснованных случаях, например при выполнении заданий исследовательского или поискового характера, возможно по согласованию с консультантом сокращение или исключение некоторых этапов проектирования

31. Приведите примеры использования научных исследований при создании новых конструкций инструментов.

Главное требование к металлорежущему инструменту – высокая производительность при заданных параметрах шероховатости и точности обработки – обеспечивается выполнением условий в отношении допусков на изготовление, отклонений геометрических параметров, твердости режущей части, внешнего вида. При создании новых конструкций металлорежущего инструмента стремятся усовершенствовать их геометрические параметры и конструктивные элементы, а также использовать материалы с повышенными режущими свойствами и новые материалы. Решение этих проблем позволит повысить стойкость металлорежущего инструмента, улучшить дробление стружки, особенно для станков с программным управлением.

ВНИИИНСТРУМЕНТ (ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ). Специалистами «ВНИИИНСТРУМЕНТ» уже в 1948 г. была разработана широкая номенклатура резцов, фрез, расточного инструмента, разверток и зенкеров, оснащенных напайными пластинами из твердого сплава, которые широко внедрялись в отечественной промышленности. К 1950 г. общий выпуск твердосплавных инструментов по сравнению с 1949г. вырос в 22 раза. В создание и внедрение в промышленность сборных инструментов, осна­щенных твердосплавными сменными неперетачиваемыми пластинами в этот период важнейший вклад внесла лаборатория твердых сплавов. В лаборатории были созданы технологии производства всех новых видов твердосплавных СНП.

В 1978—1986 г.г. институтом был выполнен комплекс конструкторско-технологических работ по созданию и освоению в производстве на инструмен­тальных заводах нового поколения конструкций и систем инструмента для автоматизированного оборудования, включая создание режущего и вспомо­гательного инструмента, конструкции вспомогательного инструмента, гаммы сборных резцов, торцовых и концевых фрез, сверл, зенкеров, расточных инструментов, оснащенных новыми видами сменных неперетачиваемых твердосплавных пластин, в т.ч. с центральным коническим отверстием и с многослойными износостойкими покрытиями. Эти разработки принципиально расширили область применения сборного инструмента и позволили повысить производительность обработки в машиностроении.

В период 1968—1990 гг. коллективом института совместно с предприятиями станкостроения и инструментальной промышленности впервые был решен комплекс задач, связанный с созданием систем режущего и вспомогательного инструмента, и комплектацией ими станков с ЧПУ, обрабатывающих центров и гибких автоматизированных участков на их основе. В результате этих работ все серийно выпускаемые станкозаводами металлорежущие станки с ЧПУ (свыше 100 типоразмеров) оснащались комплектами высококачественного режущего и вспомогательного инструмента. В этот период созданы и первые отечественные модульные инструментальные системы для станков с ЧПУ, обес­печивающие оптими­зацию инструмен­тального хозяйства производств. Создана технология изготовле­ния прессоснастки для изготовления прогрессивных твер­досплавных пластин и методы ее контроля.

Среди принципиально новых видов инструмента и технологий, созданных институтом в шестидесятых годах — высокопроизводительный способ зуботочения для нарезания цилиндрических зубчатых колес, разработанный д.т.н., проф. Ю. В. Цвисом. Комплекс выполненных работ включал создание теории, методик проектирования и конструкций инструментов (обкаточных резцов) и станков для зуботочения.

В последние годы стержнем НИОКР, выполняемых институтом, стали ра­боты по исследованию и разработке инструментов самого широкого профиля для высокоскоростной обработки металлов с применением сверхтвердых материалов, ультрамикродисперсных покрытий, современных типов вспомо­гательного инструмента.
Для обеспечения высокоскоростной обработки металлов созданы гаммы твердосплавного прецизионного инструмента и инструмента, оснащенного сверхтвердыми инструментальными материалами на основе кубического нитрида бора, обеспечивающие устойчивое резание со скоростями, превышающими нормативные в 5—10 раз.

На этапах от реализации научных идей до конкретного воплощения в реальные конструкции инструмента, оснастки, обо­рудования весьма значительна роль Мос­ковского опытного инструментального завода — опытной базы института, где многие годы успешно трудились высокопрофессиональные мастера. На протяжении 50-ти лет завод изготавливал образцы большинства новых видов инструмента, а также станки для высокочастотной закалки напильников, станки для доводки фасок на твердосплавных пластинах, установки для правки за­готовок инструментов, установки для шлифования и заточки инструмента, нагрева­тельные посты для станов прокатки сверл, контрольноизмерительные приборы и многое другое.
Значительные результаты получены институтом в области создания оригиналь­ных конструкций инструмента и технологии его изготовления. За годы существования института было получено свыше 600 авторских свидетельств на изобретения, более 180 патентов и авторских свидетельств на изобретения, более 180 патентов и авторских свидетельств за рубежом, заключено 15 лицензионных соглашений с США, Италией, ФРГ, Венгрией, ЧССР и т.д.
Большое внимание уделялось в институте научно-технической информации и в том числе изданию сборников трудов «ВНИИИНСТРУМЕНТ», рекламных проспектов, каталогов, классификаторов продукции. Институт многократно представлял достижения инструментальщиков на проводимых в стране и за рубежом выставках.