Для изготовления обрабатывающего инструмента в основном применяют четыре группы инструментальных материалов (инструментальные стали, твердые сплавы, сверхтвердые материалы, режущая керамика), каждая из которых подразделяется на несколько подгрупп (рис. 1). Ни один из этих инструментальных материалов не является универсальным и занимает свою нишу в соответствии с показателями вязкости, прочности, износостойкости и твердости.

Рисунок 1 - Классификация инструментальных материалов

В таблице приведены данные о распространенности в России и в мире инструментальных материалов:

Быстрорежущие стали - Высоколегированные инструментальные стали высокой твердости с карбидным упрочнением и содержанием углерода свыше 0,6 %. Повышение качества быстрорежущих сталей достигается при использовании порошковой металлургии (ПМ). Характерными свойствами быстрорежущих сталей, изготовленных методом ПМ, являются высокая прочность на изгиб, в 1,5-2,5 раза более высокая стойкость по сравнению с традиционными марками.

Рисунок 2 - Характеристики инструментальных материалов

Твердые сплавы - это продукты порошковой металлургии, состоящие из зерен карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), скрепленных вязкой металлической связкой. Чаще всего в качестве связки используется кобальт, отличающийся хорошей способностью смачивать карбиды вольфрама. В твердых сплавах, не содержащих карбидов вольфрама, в качестве связки используется никель с добавками молибдена.

Карбиды вольфрама, титана и тантала обладают высокой твердостью и тугоплавкостью. Чем больше в твердом сплаве карбидов, тем выше его твердость и теплостойкость, но ниже механическая прочность. При увеличении содержания кобальта растет прочность, но твердость и теплостойкость снижаются.

Современные твердые сплавы можно классифицировать по составу на четыре основные группы:

• § вольфрамокобальтовые (ВК) твердые сплавы WC-Co;
• § титановольфрамокобальтовые (ТК) твердые сплавы WC-TiC-Co;
• § титанотанталовольфрамокобальтовые (ТТК) твердые сплавы WC-TiC-TaC-Co;
• § безвольфрамовые (БВТС) твердые сплавы TiC (TiN)-Ni-Mo.

В зарубежной литературе все твердые сплавы, содержащие вольфрам, называются вольфрамовыми, а не содержащие вольфрама - титановыми.

Вольфрамовые или вольфрамокобальтовые (ВК) твердые сплавы (однокарбидные) состоят из карбида вольфрама WC и кобальта (связки). Сплавы этой группы различаются содержанием кобальта (от 3 до 15%), размерами зерен карбида вольфрама и технологией изготовления. При увеличении содержания кобальта увеличиваются предел прочности твердого сплава при изгибе, ударная вязкость и пластическая деформация, однако, при этом уменьшаются твердость и модуль упругости.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы рекомендуются преимущественно для обработки материалов, дающих при резании стружку надлома: чугунов, цветных металлов (бронз, силуминов, дуралюминов), стеклопластиков. Мелкозернистые и особомелкозернистые сплавы этой группы (имеющие в обозначении буквы М и ОМ, соответственно), рекомендуются также для обработки жаропрочных и коррозионно-стойких сталей и сплавов.

Значительное влияние на физико-механические и эксплуатационные свойства твердых сплавов, в том числе, на основе WC-Co, оказывает размер зерен твердой фазы. В сплавах нормальной зернистости средний размер зерен WC составляет 2-3 мкм. При одинаковом содержании кобальта уменьшение среднего размера зерен приводит к увеличению твердости и износостойкости при незначительном уменьшении прочности.

Титановольфрамовые или титановольфрамокобальтовые (ТК) твердые сплавы WC-TiC-Co (двухкарбидные) предназначены для обработки сталей и цветных металлов (латуней), дающих при резании сливную стружку. По сравнению с твердыми сплавами ВК на основе WC-Co, они обладают большей стойкостью к окислению, твердостью и теплостойкостью, меньшими значениями тепло- и электропроводности, модуля упругости.

Карбиды вольфрама и титана, составляющие основу твердых сплавов, обладают высокой природной теплостойкостью. Теплостойкость сплавов группы ТК составляет: Т5К10 - 1100єС, Т14К8 и Т30К4 - 1150єС. Цифра, стоящая после буквы К, означает процентное содержание кобальта, цифра за буквой Т - содержание TiC, остальное - WC. Увеличение содержания в твердом сплаве карбидов вольфрама и титана при соответствующем уменьшении содержания кобальта ведет к повышению теплостойкости твердых сплавов.

Сплавы Т30К4 и Т15К6 применяются при чистовой и получистовой обработке сталей с высокими скоростями резания и малыми нагрузками на инструмент, а сплавы Т5К10 и Т5К12 предназначены для работы в тяжелых условиях ударных нагрузок с пониженной скоростью резания.

Титанотанталовольфрамовые или титанотанталовольфрамокобальтовые (ТТК) твердые сплавы WC-TiC-TaC-Co (трехкарбидные) отличаются повышенной прочностью и высокой твердостью (в том числе при температурах 600-800С). В обозначениях сплавов этой группы цифры, стоящие за буквами ТТ, означают суммарное содержание карбидов титана и тантала, остальное - WC.

Сплавы группы ТТК по применяемости являются универсальными и их можно использовать как при обработке стали, так и при обработке чугуна. Основная область применения трехкарбидных сплавов - резание с очень большими сечениями среза в условиях точения и строгания, а также обработка с тяжелыми ударами. В этих случаях повышенная прочность, обусловленная наличием карбидов тантала, компенсирует их пониженную теплостойкость.

Приведенные выше обозначения марок твердых сплавов, изготовляемых в России, отражают химический состав данных сплавов. Зарубежные фирмы, как правило, присваивают выпускаемым ими твердым сплавам обозначения, содержащие информацию об областях применения той или иной марки.

Обозначения вольфрамовых твердых сплавов:

Международная организация стандартов ISO (ИСО) предложила систему классификации твердых сплавов, согласно которой все твердые сплавы делятся на группы применяемости в зависимости от материалов, для обработки которых они предназначены. Эта система выделяет: группу твердых сплавов P - для обработки материалов, дающих сливную стружку; группу сплавов K - для обработки материалов, дающих элементную стружку и промежуточную группу сплавов - M.

Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже износостойкость твердого сплава и допустимая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость), допустимая подача и глубина резания. Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется высокая износостойкость и малая прочность, а большие индексы соответствуют черновым операциям, когда твердый сплав должен обладать высокой прочностью.

Такая система, несмотря на всю ее условность, сыграла положительную роль, так как изготовители инструмента могут наряду с торговой маркой твердого сплава указать условно область его применения, а потребители - выбирать марку твердого сплава, наиболее близко соответствующую условиям работы.

В последние годы перспективным направлением является создание и использование безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС). Интенсивные исследования в этом направлении проводятся во всем мире. Наиболее развито производство безвольфрамовых твердых сплавов в Японии (около 40% от общего объема выпуска твердых сплавов), в США, в странах Европы.

Безвольфрамовые твердые сплавы, как и вольфрамосодержащие сплавы, являются продуктами порошковой металлургии, однако в качестве твердой износостойкой фазы в них используются карбид и карбонитрид титана, обладающие высокой твердостью, износо- и окалиностойкостью. В качестве цементирующего металла применяется никель, а для улучшения смачивания карбидной фазы в процессе спекания расплавленной связкой и, одновременно, для снижения хрупкости БВТС в их состав вводится молибден и ниобий.

В России наиболее перспективными с точки зрения практического применения проявили себя безвольфрамовые сплавы ТН20, КНТ16 и ЛЦК20. Сплав марки ТВ4 на основе карбонитрида титана содержит в молибдено-никелевой связке 8-9% вольфрама для повышения его прочности и по сути является маловольфрамовым. Новая группа сплавов ЦТУ и НТН30 имеет повышенную эксплуатационную надежность и расширенную область применения за счет легирования вольфрамом и карбидами титана и ниобия соответственно.

Указанные сплавы предназначены для замены вольфрамосодержащих твердых сплавов группы ТК на операциях точения и фрезерования сталей (области применения Р20-Р30). Однако в целом, несмотря на экономию дорогостоящего вольфрама, БВТС могут служить равноценной заменой вольфрамовых твердых сплавов только при строго определенных условиях обработки, а значительная нестабильность свойств и низкая циклическая прочность не дают возможность рекомендовать их в качестве инструментальных материалов для автоматизированного производства.

Режущая керамика (РК) - это высокая твердость и прочность на сжатие, сохраняет свои свойства при высоких температурах, повышенная износостойкость и стойкость к окислению, но существенно более низкая прочность на изгиб по сравнению с твердыми сплавами.

Режущие керамические материалы можно разделить на четыре группы: 1) оксидная (белая керамика) на основе Al2O3,

• 2) оксикарбидная (черная керамика) на основе композиции Al2O3-TiC,
• 3) оксиднонитридная (кортинит) на основе Al2O3-TiN,
• 4) нитридная керамика на основе Si3N4.

Каждая из этих групп имеет свои особенности, как в технологии изготовления, так и в области применения, обусловленные, в первую очередь, составом и структурой материала. Уменьшение размера зерна и пористости минералокерамики приводит к росту износостойкости, прочности и твердости материала.

Отечественными марками оксидной РК являются ЦМ-332, ВО-13, ВО-18, ВШ-75. В отличие от быстрорежущих сталей и твердых сплавов маркировка РК не отражает ее состав. Согласно производственной практике оксидная керамика предпочтительнее при точении заготовок из незакаленных конструкционных сталей и ферритных ковких чугунов (НВ < 230) при скоростях резания свыше 250 м/мин.

Твердость РК различных марок составляет HRA 93-96, прочность - 400-950 МПа. Такой широкий диапазон основных свойств определяется различным содержанием карбидов и нитридов, а также размером зерен.

Сравнительные характеристики свойств карбидов показали, что наиболее перспективным из них является карбид титана, который обладает высокой твердостью, износостойкостью, достаточной теплопроводностью и упругими свойствами, широко применяется как основа инструментальных материалов. Кроме того, он недефицитен и легко получается восстановлением оксида сажей.

На основании вышесказанного карбид титана был выбран в качестве упрочняющей добавки к оксиду алюминия. Исследование его влияния на свойства оксидно-карбидной композиции позволило выбрать состав и разработать технологию сплава ВОК-71. Состав ВОК-71 состоит из основы Al2O3 с добавкой 20% TiC. По твердости он не уступает сплаву ВОК-63, а по прочности его превосходит. При резании чугуна и стали разной твердости смешанная керамика ВОК-71 показала преимущество перед другими сплавами.

Параллельно с совершенствованием оксидно-карбидных керамических материалов разрабатывались новые марки режущей керамики на основе нитрида кремния. На базе оксидного керамического материала ВШ-75 был разработан керамический материал ОНТ-20 (кортинит).

Кортинит - оксидно-нитридная РК, в состав которой входит мелкодисперсный нитрид титана. Адгезионное взаимодействие кортинита с обрабатываемым материалом менее интенсивное, чем у оксидно-карбидных керамических материалов.

Положительные свойства нитрида титана позволили создать нитридную режущую керамику. По своим свойствам композиция на основе нитрида кремния несколько уступает оксидно-карбидной керамике, однако такой керамический материал имеет высокую прочность на изгиб и низкий коэффициент термического расширения, что выгодно отличает его от ранее рассмотренных типов РК.

Нитридная РК имеет твердость HRC 86-95, предел прочности на растяжение 600-950 МПа, ударную вязкость и теплопроводность выше, чем другие типы керамики. Преимуществом нитридной РК является тот факт, что при температуре 790-900єС ее твердость выше, чем твердость оксидно-карбидной и оксидной РК.

Предпочтительной областью применения нитридной РК является обработка чугунов и жаропрочных сплавов. Для обработки сталей эта РК не рекомендуется из-за высокой интенсивности диффузионного износа. Скорости резания при обработке чугуна сиалоном достигают 1500 м/мин.

Проводятся работы по созданию композиций нитридной РК с карбидами. Например, добавка 20% TiC позволяет на 50% повысить ударную вязкость и твердость, что в свою очередь дает возможность использовать более высокие значения подачи и скорости резания (до 1800 м/мин). Такие композиции рекомендуются прежде всего для обработки никелевых сплавов.

Причинами, сдерживающими широкое применение керамики в металлообработке, являются: низкая прочность, высокая хрупкость, значительная чувствительность к локальным напряжениям и дефектам структуры. Поэтому основная проблема при создании новых керамических материалов - повышение прочности.

В последние годы большое внимание специалистов в области РК уделяется разработке армированной керамики. В качестве армирующего элемента для РК чаще всего используют нитевидные кристаллы карбида кремния SiC (имеющие прочность до 4000 МПа) длиной 20-30 мкм и диаметром до 1 мкм. Отмечается, что подобное армирование позволяет повысить вязкость оксидной РК в 1,5 раза без существенного снижения твердости.

Достаточно длинные кристаллы (в 2 и более раз превышающие размеры зерен матрицы) служат мостиками между зернами, повышая их стабильность под действием нагрузки. Кроме того, разность коэффициентов теплового расширения кристаллов SiC и основы создает при нагреве благоприятные сжимающие напряжения, которые компенсируют напряжения растяжения, возникающие в СМП в процессе резания.

Армированную РК можно применять при прерывистом точении и фрезеровании. Поскольку режущий инструмент из армированной керамики является дорогим, его применение экономически эффективно только в определенных областях, например при обработке заготовок из жаропрочных никелевых сплавов, а также закаленных сталей и чугунов.

Сверхтвердые инструментальные материалы (СТМ) - это инструментальные материалы, имеющие твердость по Виккерсу при комнатной температуре свыше 35 ГПа. Сверхтвердые материалы (СТМ), используемые для оснащения металлорежущих инструментов, разделяются на две основные группы:

• § СТМ на основе углерода - естественные и искусственные (поликристаллические) алмазы;
• § СТМ на основе нитрида бора (композиты).

Эти две группы СТМ имеют разные области применения, что обусловлено различием их физико-механических свойств и химического состава.

Природные алмазы обладают целым рядом важных свойств, необходимых для инструментальных материалов. Твердость природных алмазов выше твердости любого природного или синтетического материала. Они имеют низкий коэффициент трения, высокую теплопроводность. При заточке алмазных инструментов обеспечивается радиус округления режущей кромки в пределах долей микрометра, поэтому возможно получение практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки, что особенно важно при прецизионной обработке.

Недостатками природных алмазов являются: анизотропия свойств, низкая прочность, сравнительно низкая (700-750єС) теплостойкость и химическая активность к сплавам на основе железа при повышенных температурах, а также высокая стоимость.

Указанные свойства природных алмазов определяют область их эффективного использования: прецизионная обработка деталей из цветных металлов и неметаллических материалов. В частности, алмазные инструменты с радиусом округления режущей кромки 5-6 мкм используются при обработке металлических зеркал, дисков памяти и деталей оптоэлектроники с глубинами резания 12-20 мкм.

Ограниченные запасы природных алмазов, а также их высокая стоимость вызвали необходимость разработки технологии синтетических алмазов. Условия получения синтетических алмазов заключаются в воздействии на алмазообразующий материал, содержащий углерод (графит, сажа, древесный уголь). Воздействие происходит при давлении 60 000 атмосфер при температуре 2000-3000єС, что обеспечивает подвижность атомов углерода и возможность перестройки структуры графита в структуру алмаза.

Синтетические алмазы для режущих инструментов имеют, как правило, поликристаллическую структуру. Примерами отечественных поликристаллических алмазов (ПКА) являются АСПК (карбонадо) и АСБ (баллас). Микротвердость поликристаллических алмазов в среднем такая же, как природных монокристаллов (56-102 ГПа), но диапазон изменения ее у ПКА шире. Плотность синтетических балласа (АСБ) и карбонадо (АСПК) выше, чем плотность природных монокристаллов алмаза, что объясняется наличием определенного количества металлических включений.

Синтетические и природные алмазы нельзя противопоставлять друг другу, они дополняют друг друга и каждый из них имеет свои оптимальные области применения. Но и синтетические и природные алмазы не рекомендуется применять для обработки материалов и сплавов, содержащих железо, что объясняется большим физико-химическим сродством черных металлов и алмаза.

Природных соединений нитрида бора (BN) не существует. Получаемые искусственным путем модификации нитрида бора по виду кристаллической решетки разделяются на графитоподобный, вюртцитный и кубический нитрид бора (КНБ). Плотные модификации BN различаются технологией изготовления, структурой и физико-механическими свойствами.

Примерами отечественных СТМ на основе нитрида бора являются композит 01 (эльбор), композит 02 (белбор), СКИМ-ПК, Петбор, КП3. Наиболее известные зарубежные материалы этой группы - киборит, Wurbon, Borazon, Amborite, Sumiboron.

СТМ на основе BN применяются, в основном, для обработки закаленных сталей (HRC>45) и чугунов (HB>230) с повышенными скоростями резания, и лезвийная обработка с помощью BN во многих случаях более эффективна, чем шлифование.

Рисунок 3 - Классификация СТМ

Таким образом, СТМ представлены двумя направлениями: на основе углерода и на основе нитрида бора. Твердость поликристаллических алмазов выше, чем твердость композитов, а теплостойкость в 1,5-3 раза ниже. Композиты практически инертны к сплавам на основе железа, а алмазы проявляют к ним значительную активность при высоких температурах и контактных давлениях, имеющих место в зоне резания. Поэтому режущие инструменты из композитов применяют главным образом при обработке сталей и чугунов, а алмазные инструменты - при обработке цветных металлов и сплавов, а также неметаллических материалов.

Возможность внедрения сверхтвердых материалов в настоящее время сдерживается состоянием оборудования. Только около 50% существующих станков могут обеспечить требуемый уровень скоростей резания, около 25% станков нуждаются в модернизации и около 25% непригодны для использования инструментов, оснащенных СТМ.

С другой стороны возможность реализации оптимальных для СТМ высоких скоростей резания на новом оборудовании, обладающем необходимыми характеристиками по мощности, жесткости и виброустойчивости, обеспечивает значительное повышение производительности металлообработки.

Абразивные материалы - это зерна абразивного материала с острыми кромками служат режущими элементами шлифовальных инструментов. Подразделяются на естественные и искусственные. К естественным абразивным материалам относятся такие минералы, как кварц, наждак, корунд и др. В промышленности наиболее распространенными являются искусственные абразивные материалы: электрокорунды, карбиды кремния и бора. К искусственным абразивным материалам относятся также полировально-доводочные порошки - оксиды хрома и железа.Особую группу искусственных абразивных материалов составляют синтетические алмазы и кубический нитрид бор, которые являются наиболее перспективными, так как обладают максимальной твердостью (алмаз) и термостойкостью (КНБ).

Инновационное направление

Перспективной является нанотехнология в производстве режущих инструментов. Согласно экспертному прогнозу, доля использования нанотехнологий на российском рынке для моноинструментов составляет сейчас 63%, а для сборного 6%.

Перспективные нанотехнологии в производстве обрабатывающего инструмента.

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

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

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

его термической обработкой (закалка и отпуск).

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

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

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

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

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

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

углеродистые инструментальные стали;

легированные инструментальные стали;

быстрорежущие стали и сплавы (высоколегированные);

твердые сплавы;

минералокерамику;

абразивные материалы;

алмазные материалы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Промышленность выпускает четыре группы твердых сплавов:

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

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

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

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

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

Сплавы группы ВК используют для обработки хрупких материалов.

Таблица 1.2

Основные свойства твердых сплавов

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

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

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

Таблица 1.3

Основные свойства и химический состав некоторых сплавов группы ВК

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

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

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

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

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

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

Таблица 1.4

Основные свойства и химический состав некоторых сплавов групп ТК и ТТК

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

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

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

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

Полная замена карбида вольфрама может осуществляться тремя путями :

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

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

Простое исключение карбида вольфрама из состава твердого сплава.

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

Таблица 1.5

Физико-механические свойства безвольфрамовых твердых сплавов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

природные и синтетические алмазы в виде моно- и поликристаллов;

кубический нитрид бора, в виде моно- и поликристаллов;

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

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

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

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

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

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

Углеродистые и легированные инструментальные стали. Номенклатура инструментальных материалов раз­нообразна. Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А...У13, У13А. Помимо железа и углерода, эти стали содержат 0,2...0,4 % марганца. Инструменты из углеродистых сталей обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но теплостойкость их 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, Р6МЗ, Р8МЗ (табл. 6.1). Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63...66 НRС э, предел прочности при изгибе 2900...3400 МПа, ударную вязкость 2,7... 4,8 Дж/м 2 и теплостойкость 600...650 °С. Указанные марки сталей получили наиболее широкое распространение при изготовлении режущих инструментов. 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 НRС э.

Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода - 10Р8МЗ, 10Р6М5; ванадия - Р12ФЗ, Р2МЗФ8, Р9Ф5; кобальта - Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9К5, Р9К10, Р9М4К8Ф, 10Р6М5Ф2К8 и др.

Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 66...70 НRС э, 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.

Табл. 3. Содержание легирующих элементов в быстрорежущих сталях, %

Стали высокой теплостойкости характеризуются пони­женным содержанием углерода, но весьма большим коли­чеством легирующих элементов - Bl1M7K23, В14М7К25, ЗВ20К20Х4Ф. Они имеют твердость 69...70 HRC Э, 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).

В связи с острым дефицитом вольфрама в СССР и за рубежом разрабатываются безвольфрамовые инструмен­тальные материалы,в том числе быстрорежущие стали.

К таким сталям относятся маловольфрамовые Р2М5, РЗМЗФ4К5. Р2МЗФ8, А11РЗМЗФ2 и безвольфрамовая 11М5Ф (см. табл. 6.1). Эксплуатационные свойства указанных сталей близки к свойствам традиционных быстрорежущих сталей соответствующих групп.

Перспективным направлением в повышении качества быстрорежущих сталей является получение их методами порошковой металлургии. Стали Р6М5К5-П (П - по­рошковая), Р9М4К8-П, Р12МЗФЗК10-П и другие имеют очень однородную мелкозернистую структуру, хорошо шлифуются, меньше деформируются при термообработке, отличаются стабильностью эксплуатационных свойств. Период стойкости режущих инструментов из таких ста­лей возрастает до 1,5 раза. Наряду с порошковыми бы­строрежущими сталями хорошо зарекомендовали себя так называемые карбидостали, содержащие до 20 % TiC, которые по служебным характеристикам занимают про­межуточное место между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

Твердые сплавы. Эти сплавы получают методами порошковой металлургии в виде пластин или коронок. Основными компонентами таких сплавов являются кар­биды вольфрама WC, титана TiC, тантала ТаС и ниобия NbС, мельчайшие частицы которых соединены посред­ством сравнительно мягких и менее тугоплавких кобальта или никеля в смеси с молибденом (табл. 6.2, 6.3).

Твердые сплавы имеют высокую твердость -88... 92 HRA (72...76 HRC Э,) 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: ВКЗ, ВКЗ-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, ТЗОК4, Т60К6 и др. В условном обозначении цифра, стоящая после буквы Т, показывает процентное содержание карбидов титана, после буквы К - кобальта, остальное - карбиды вольфрама;

Табл. 4. Марки, химический состав и свойства вольфрамосодержащнх твердых сплавов

Табл. 5. Марки, химический состав и свойства безвольфрамовых твердых сплавов

3) на титанотанталовольфрамовые сплавы группы ТТК: ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 и 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, состав которых приведен в табл. 6.3. Обозначения этой группы твердых сплавов 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).

Правильным выбором марки твердого сплава обеспе­чивается эффективная эксплуатация режущих инструмен­тов. Для конкретного случая обработки сплав выбирают исходя из оптимального сочетания его теплостойкости и прочности. Например, сплавы группы ТК имеют более высокую теплостойкость, чем сплавы ВК. Инструменты, изготовленные из этих сплавов, 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 невысокими температурами в зоне резания.

Такие сплавы используются также 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. Кроме того, 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. Поэтому трех- и четырехкарбидные твердые сплавы применяются для оснащения инструментов, работающих с ударами и по загрязненной корке. Однако температура теплостойкости этих сплавов ниже, чем у двухкарбидных. Из твердых сплавов с существенно улучшенной струк­турой следует отметить особомелкозернистые, применя­емые для обработки материалов с большой истирающей способностью. Сплавы ОМ обладают плотной, особо-мелкозернистой структурой, а также имеют малый (до 0,5 мкм) размер зерен карбидов вольфрама. Последнее обстоятельство позволяет затачивать и доводить инстру­мент, изготовленный из них, с наименьшими радиусами режущих кромок. Инструменты из сплавов этой группы применяются для чистовой и получистовой обработки деталей из высокопрочных вязких сталей с повышенной склонностью к наклепу.

Незначительное добавление в состав сплавов группы ОМ карбида тантала и кобальта способствует повыше­нию их теплостойкости, что позволяет использовать эти сплавы при изготовлении инструментов, предназначенных для черновой обработки деталей из различных сталей. Весьма эффективна замена карбидов тантала карбидами хрома . Это обеспечивает получение сплавов с мелкозер­нистой однородной структурой и высокой износостойко­стью. Представителем таких материалов является сплав ВК10-XOM .

Сплавы с низким процентным содержанием кобальта (ТЗОК4, ВКЗ, ВК4) обладают меньшей вязкостью и при­меняются для изготовления инструментов, срезающих тонкие стружки на чистовых операциях. Наоборот, спла­вы с большим содержанием кобальта (ВК8, Т14К8„ Т5К10) являются более вязкими и применяются при сня­тии стружек большого сечения на черновых операциях.

Работоспособность твердых сплавов значительно воз­растает при нанесении на них износостойких покры­тий.

Минералокерамика. Из современных инструменталь­ных материалов заслуживает внимание минералокерамика, которая не содержит дорогостоящих и дефицитных элементов. Основу ее составляют оксиды алюминия АOз с небольшой добавкой (0,5...1 %) оксида магния MgO. Высокая твердость минералокерамики, теплостой­кость до 1200°С, химическая инертность к металлам, сопротивление окислению во многом превосходят эти же параметры твердых сплавов. Однако минералокерамика уступает этим сплавам по теплопроводности, имеет более низкий предел прочности на изгиб.

Современная минералокерамика, созданная в СССР и за рубежом, по прочности приближается к наиболее износостойким твердым сплавам. Минералокерамику на основе оксида алюминия можно разделить на три группы:

1) чисто оксидная керамика (белая), основу которой составляет оксид алюминия с незначительными приме­сями (АlОз - до 99,7 %);

2) керамика, представляющая собой оксид алюминия с добавлением металлов (титан, ниобий и др.);

3) оксидно-карбидная (черная) керами­ка - оксид алюминия с добавлением карбидов тугоплав­ких металлов (титана, вольфрама, молибдена) для повы­шения ее прочностных свойств и твердости.

Отечественная промышленность в настоящее время выпускает оксидную керамику ЦМ-332, ВО-13 и оксидно-карбидную ВЗ, ВОК-60, ВОК-63, в состав которой входит до 40 % карбидов титана, вольфрама и молибдена. Наряду с материалами на основе оксида алюминия выпускается материал на основе нитрида кремния - силинит-Р и кортинит ОНТ-20 (с добавками оксидов алюминия и неко­торых других веществ). Физико-механические свойства режущей минералокерамики приведены в табл. 6.4.

Высокие режущие свойства инструментов из 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.

Табл. 6. Физико-механические свойства режущей минералокерамики

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.

Рациональная область применения конкретного инструментального материала определяется совокупностью его эксплуатационных и технологических свойств (зависящих в свою очередь от физико- механических и химических свойств), а также экономическими факторами.

Инструментальные материалы работают в тяжёлых условиях – при высоких нагрузках и температурах. Поэтому все свойства инструментальных материалов можно подразделить на механические и тепловые.

К важнейшим эксплуатационным свойствам инструментальных материалов относятся: твердость, прочность, износостойкость, теплостойкость, теплопроводность.

Твердость Н и контактных поверхностей инструмента должна быть выше твердости Н м обрабатываемого материала. Это одно из основных требований, предъявляемых к материалу инструмента. Но с повышением твердости инструментального материала, как правило, уменьшается его сопротивляемость хрупкому разрушению. Поэтому для каждой пары обрабатываемого и инструментального материалов существует оптимальное значение отношения Н и /Н м, при котором интенсивность износа инструментального материала будет минимальной.

С точки зрения прочности инструмента важно, чтобы инструментальный материал сочетал высокую твердость при повышенных температурах зоны резания с хорошей сопротивляемостью на сжатие и изгиб, а также обладал высокими значениями предела выносливости и ударной вязкости.

Износостойкость измеряется отношением работы, затраченной на удаление определенной массы материала, к величине этой массы. Износ, наблюдаемый в резании как общая потеря массы инструментального материала, вызывается различными механизмами: адгезионно-усталостным, абразивным, химико-абразивным, диффузионным и т.д. Износостойкость инструментального материала при адгезионном износе зависит от микропрочности поверхностных слоев и интенсивности адгезии с обрабатываемым материалом. При хрупком адгезионном износе износостойкость инструментального материала коррелируется с его пределом выносливости и прочностью, при пластическом - с пределом текучести и твердостью. В качестве меры износостойкости инструментального материала при абразивном износе приближенно принимается его твердость. Диффузионный износ режущего инструмента имеет место вследствие взаимного растворения компонентов режущего и обрабатываемого материалов с последующим разрушением поверхностных слоев режущего материала, разупрочненных вследствие диффузионных процессов. Характеристикой сопротивления диффузионному износу является степень инертности инструментальных материалов по отношению к обрабатываемым.

Твердость контактных поверхностей инструмента в холодном состоянии, т.е. измеренная при комнатной температуре, не достаточно полно характеризует его режущую способность. Для характеристики режущих свойств инструментальных материалов при повышенных температурах пользуются такими понятиями как «горячая» твердость, красностойкость и теплостойкость.

Под красностойкостью понимается температура, вызывающая снижение твердости инструментального материала не ниже заданного значения. Согласно ГОСТ 19265-73 красностойкость быстрорежущей стали нормальной производительности должна быть равна 620°С, а стали повышенной производительности - 640°С. Красностойкость определяется измерением твердости образцов при комнатной температуре после их нагрева до температур 620°-640°С с выдержкой в течении 4-х часов и последующего охлаждения. За контрольную норму разупрочнения стали после указанного нагрева принята твердость HRC 58.

Под теплостойкостью инструментального материала понимают способность материала сохранять при нагреве твердость, достаточную для процесса резания. Теплостойкость характеризуется так называемой критической температурой. Критическая температура - это температура, устанавливаемая в процессе резания, при которой инструментальный материал еще не теряет своих режущих свойств, и инструмент, из которого он изготовлен, способен резать.

Зависимость работоспособности инструмента от температурных условий его работы выражается и такой характеристикой инструментального материала, как сопротивление тепловому удару. Эта характеристика определяет максимальный перепад температур, при котором материал сохраняет свою целостность, и отражает возможность хрупкого разрушения инструмента в результате действий термических напряжений. Знание сопротивления тепловому удару особенно важно при использовании относительно хрупких инструментальных материалов в условиях прерывистого резания. Величина термических напряжений зависит от теплопроводности, коэффициента линейного расширения, модуля упругости, коэффициента Пуассона и других свойств инструментального материала.

Теплопроводность - одно из важнейших физических свойств инстру­ментальных материалов. Чем ниже теплопроводность, тем выше температура контактных поверхностей инструмента и, следовательно, ниже допускаемые скорости резания.

Среди технологических свойств инструментальных материалов наибо­лее важное значение имеет их обрабатываемость в горячем (ковка, литье, штамповка, сварка и пр.) и холодном (обработка резанием, шлифовка) состояниях. Для инструментальных материалов, подвергаемых термообра­ботке, не меньшую значимость имеют и условия их термической обработки: интервал закалочных температур, количество остаточного аустенита, спо­собность остаточного аустенита, к превращению, деформации при термичес­кой обработке, чувствительность к перегреву и обезуглероживанию и др. Обрабатываемость инструментальных материалов резанием зависит от мно­гих факторов, основными из которых являются: химический состав, твер­дость, механические свойства (прочность, вязкость, пластичность), мик­роструктура и размер зерна, теплопроводность. Обрабатываемость следует рассматривать не с точки зрения возможности использования высоких ско­ростей резания при изготовлении инструмента, но также и в отношении качества получаемых поверхностей. Инструментальный материал, при обра­ботке которого получаются задиры, высокая шероховатость, прижоги и другие дефекты, трудно использовать для изготовления режущего инстру­мента.

Стоимость инструментального материала, относится к экономическим факторам. Инструментальный материал должен быть по возможности дешевым. Но это требование является условным, поскольку более дорогой материал может обеспечить более дешевую обработку. К тому же соотношение между стоимостью отдельных материалов непрерывно меняется. Важно, чтобы инструментальный материал не являлся бы дефицитным.

Идеального инструментального материала, одинаково пригодного для всего многообразия условий механической обработки, создать невозможно. Поэтому в промышленности применяется большая номенклатура инструментальных материалов, объединенных в следующие основные группы: углеродистые и легированные стали; быстрорежущие стали; твердые сплавы; режущая керамика; сверхтвердые материалы; инструмент с покрытиями.