Основные свойства инструментальных материалов

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/м² 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 Al₂О₃ 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 j₁. Для отдельных видов инструментов j₁ колеблется в пределах от 0 до 2…3°. Например, у сверл и метчиков j₁=2…3¢, а у отрезного резца j₁=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 – S₀, 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);

4)

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:

1)

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 Al₂O₃ 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_k³P_zu_к/10³h, а для вращения детали N_д³P_zu_д/(60×10³h);

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.