Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции Смирнов М.Ю. Резание материалов - файл 1.doc


Лекции Смирнов М.Ю. Резание материалов
скачать (5012.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc5013kb.16.11.2011 18:00скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
Реклама MarketGid:
Загрузка...




ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ

РЕЗАНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Понятия о системе резания как о совокупности одновременно совершаемых взаимосвязанных процессов

Структурная схема процесса резания. Классификация методов обработки



Процесс резания представляет собой совокупность физико-химических явлений, в которую входят кинематика процесса резания, пластические деформации и разрушения в зоне стружкообразования, напряженное состояние инструмента и заготовки, трение, тепловые, химические и др. явления, протекающие на контактных площадках режущего инструмента. Все они вместе взятые тесно связаны между собой и образуют единую систему резания. Структурная схема процесса резания определяет взаимосвязь между входными и выходными параметрами процесса, которые связаны между собой процессом резания (рис.1).

Входные параметры характеризуют систему СПИД – станок, приспособление, инструмент, деталь. Их можно разделить на 2 группы. Первая характеризует заготовку, параметры которой задаются конструктором ( деталь ДТ - ее материал и размеры) и технологом ( способ получения заготовки, припуск, точность). Вторая группа характеризует станок СТ, его параметры, схему обработки СХ, инструмент ИН, режимы резания РЖ , приспособление ПР , технологическую среду СР .

Выходные параметры определяются как результат воздействия процесса резания на заготовку (они определяют ее эксплутационные характеристики: точность ТЧ, качество поверхностного слоя КП (шероховатость, наклеп)) и на инструмент (его стойкость СИ, прочность ПИ), а также характеризуют производительность Пр и экономичность Эк процесса резания.

Процесс резания связывает между собой входные и выходные параметры.






Способ обработки материалов определяется видом энергии подводимой в зону обработки (механической, электрической и др.). Соответственно различают механическую, электроэрозионную, электрохимическую, лазерную и др. виды обработки.

Механическая обработка представляет собой процесс снятия стружки путем внедрения в поверхностный слой обрабатываемой заготовки режущего клина инструмента, который двигается под действием сил привода станка.

Механическую обработку подразделяют на лезвийную и абразивную.

Лезвийная обработка осуществляется одним или несколькими режущими клиньями имеющими правильную геометрическую форму.

Абразивная обработка осуществляется большим количеством абразивных зерен, имеющих неправильную геометрическую форму.

Для осуществления процесса резания при механической обработке необходимо два движения: главное и вспомогательное.

Главное движение Dr определяет скорость снятия материала с заготовки и имеет наибольшую скорость; вспомогательное движение или движение подачи Ds обеспечивает непрерывность врезания режущего инструмента в срезаемый слой заготовки.

Векторная сумма этих двух движений называется результирующим движением резания Де. Соответственно скорости этих движений будем обозначать как V, Vs, Vе.



Совокупность относительных движений инструмента и заготовки, необходимая для получения заданных поверхностей называется кинематической схемой процесса резания (рис. 2).

Большое разнообразие возможных комбинаций процесса резания можно классифицировать по следующим признакам:





  1. По количеству участвующих в процессе резания режущих кромок:




  1. свободное резание - в работе принимает участие одна режущая кромка (рис.3, а).

б) несвободное резание – в работе участвуют две и более сопряженных между собой режущих кромок (рис.3, б).


  1. По ориентации главной режущей кромки относительно вектора скорости резания (рис. 4):

а) прямоугольное резание, если вектор скорости главного движения перпендикулярен режущей кромке.

б) косоугольное резание, когда вектор скорости главного движения не перпендикулярен режущей кромке.




  1. По количеству одновременно участвующих в работе режущих клиньев (лезвий):

  1. однолезвийная обработка (точение, строгание);

б) многолезвийная обработка (фрезерование, зенкерование).

  1. По форме сечения срезаемого слоя:

  1. резание с постоянным сечением срезаемого слоя (точение, сверление);

б) резание с переменным сечением срезаемого слоя (фрезерование).

  1. По времени контакта режущего лезвия с обрабатываемой заготовкой:

  1. непрерывная обработка (точение);

б) прерывистая обработка (фрезерование).

  1. По характеру контактных деформаций стружки:

  1. резание без вторичных пластических деформаций;

б) резание со вторичными пластическими деформациями без разрушения контактного слоя стружки;

с) резание со вторичными деформациями контактного слоя стружки и его разрушением (резание с наростом).

7) По непрерывности процесса стружкообразования:

  1. резание с образованием сливной стружки;

б) резание с образованием стружки скалывания.


^ Назначение геометрии режущего инструмента


Геометрия проходного резца


Резец состоит из рабочей части I и тела II, служащего для закрепления его в резцедержателе (рис.5).





Режущая часть образована заточкой следующих поверхностей:

1 – передняя поверхность, поверхность по которой сходит стружка;

2 – главная задняя поверхность;

3 – вспомогательная задняя поверхность;

4 – главная режущая кромка образуется пересечением передней и главной задней поверхностей;

5 – вспомогательная режущая кромка образуется пересечением передней и вспомогательной задней поверхностей;

6 – вершина резца – образуется пересечением главной и вспомогательной режущих кромок.

В процессе обработки на заготовке различают следующие поверхности (рис.6):




1 – обработанная поверхность, поверхность полученная после снятия стружки;

2 – поверхность резания, которая образуется на заготовке непосредственно режущей кромкой инструмента;

3 - обрабатываемая поверхность – поверхность, с которой снимается стружка.


^

Углы режущего инструмента.




Углы рассматриваются в трех системах координат:

  • инструментальной (ИСК);

  • статической (ССК);

  • кинематической (КСК).

Инструментальная система – прямоугольная система координат с началом в вершине режущего инструмента и ориентированная относительно поверхностей инстру­мента принятых за базу. Применяется для изготовления, заточки и контроля инструмента.

Статическая система – прямоугольная система координат с началом в рассматриваемой точке режущей кромки и ориентированная относительно направления вектора скорости главного движения (V). Применяется для приближенных расчетов углов инструмента и для учета их изменения при установке инструмента на станок.

Кинематическая система – прямоугольная система координат с началом в рассматриваемой точке режущей кромки и ориентированная относительно направления вектора скорости результирующего движения (Ve).

Для определения углов рассматривают следующие плоскости:

  1. Основная плоскость Pv – плоскость, проведенная через рассматриваемую точку режущей кромки перпендикулярно к направлению вектора скорости главного движения (V) (в ССК) или результирующего движения резания (Ve) (в КСК). В инструментальной системе координат за направление вектора скорости резания принимается перпендикуляр к конструкторской установочной базе резца (прямоугольного сечения). Основную плоскость в инструментальной системе координат будем обозначать Рvи, в статической - PVС, в кинематической - PVК.

  2. Плоскость резания Pn – плоскость, касательная к главной режущей кромке в рассматриваемой точке и перпендикулярная основной плоскости (соответственно - Pnи, Pnс, Pnк).

  3. Главная секущая плоскость Pt - плоскость, перпендикулярная линии пересечения основной плоскости и плоскости резания (перпендикулярная проекции главной режущей кромки на основную плоскость) (соответственно – Рτи, Рτс, Рτк).

  4. Вспомогательная секущая плоскость Pt1 – плоскость, перпендикулярная проекции вспомогательной режущей кромки на основную плоскость (соответственно – Рτ1и, Рτ1с, Рτ1к).

  5. Рабочая плоскость Ps – плоскость, в которой расположены векторы скоростей главного движения и движения подачи. В ИСК это плоскость III – III, перпендикулярная плоскостям I – I и II - II.

Углы резца разделяются на главные (измеряются в главной секущей плоскости), вспомогательные углы (измеряются во вспомогательной секущей плоскости) и углы в плане (измеряются в основной плоскости).

К главным углам относятся:

g - передний угол;

a - главный задний угол;

d - угол резания;

b - угол заострения.

К вспомогательным углам относятся:

g1 – вспомогательный передний угол;

1 – вспомогательный задний угол.

К углам в плане относятся:

j - главный угол в плане;

j1 – вспомогательный угол в плане;

e - угол при вершине.

Кроме того, рассматривают угол наклона главной режущей кромки l, который измеряется в плоскости резания.

В различных системах координат определение углов аналогичны – углам и плоскостям, которые их образуют и в которых они рассматриваются, присваивается обозначение системы координат, например gи, gс, gк и т.п.

Передний угол g - угол между основной плоскостью и передней поверхностью инструмента (может быть положительным, отрицательным или равным нулю);

главный задний угол a - угол между плоскостью резания и главной задней поверхностью;

угол резания d - угол между передней поверхностью и плоскостью резания;

угол заострения b - угол между передней и главной задней поверхностями;

главный угол в плане j - угол между плоскостью резания и рабочей плоскостью;

вспомогательный угол в плане j­­1 – угол между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и рабочей плоскостью;

угол при вершине e - угол между проекциями главной и вспомогательной режущих кромок на основную плоскость.

угол наклона главной режущей кромки l - угол между главной режущей кромкой и основной плоскостью;

вспомогательный задний угол a1 - угол между вспомогательной задней поверхностью и перпендикуляром к основной плоскости.






Рассмотрим конструктивные элементы и геометрию спирального сверла.





Рис.9 Конструкция спирального сверла


^ Конструктивные элементы сверла(рис.9):

l – рабочая часть, включающая в себя режущую и направляющую части; l1 - режущая часть, имеющая главные режущие кромки 3; l2 – направляющая часть, имеющая ленточки 5 и стружечные винтовые канавки и служит для направления сверл в отверстие; l3 – крепежная часть (состоит из шейки 7, хвостовика8, лапки 9); 1 – передняя поверхность; 2 – главная задняя поверхность; 3 – главная режущая кромка; 4 – поперечная кромка (перемычка) – определяет жесткость и прочность сверла и отрицательно сказывается на процесс сверления из-за отрицательного переднего угла на данной кромке; 5 – ленточка, часть которой (длиной ) служит вспомогательной режущей кромкой (6).

^ К геометрическим параметрам сверла относятся (рис. 10):

2 - двойной угол в плане при вершине - это угол, заключенный между проекциями главных режущих кромок на плоскость, проходящую через ось сверла параллельно главным режущим кромкам (=118-120о);

 - угол наклона винтовой канавки – это угол между касательной к винтовой канавке и осью сверла (=18-30);

 - угол наклона поперечной кромки – это угол между проекциями главной режущей кромки и поперечной кромки на плоскость перпендикулярную оси сверла (=50 - 55).


^

Рассмотрим главные углы сверла






Рис.10 Геометрические параметры сверла


 -передний угол, измеряется в главной секущей плоскости и является переменной величиной по длине режущей кромки. Передний угол – угол, заключенный между касательной к передней поверхности в рассматриваемой точке режущей кромки и плоскостью резания. В отличие от резцов передний угол на чертежах сверл не проставляют, так как форму и положение передней поверхности определяют шаг и угол наклона винтовой канавки. На рис. 11 показана развертка винтовой линии на плоскость. Передний угол в плоскости параллельной оси сверла ох равен углу наклона винтовой линии х.


Рис.11 Развёртка винтовой линии

канавки сверла на плоскость


Из рис.11 следует:

,

где Н – шаг винтовой линии. Шаг винтовой линии является величиной постоянной и независящей от диаметра сверла и равен:

.

Подставляя величину Н в выражение для определения угла γо получим:




Отсюда следует, что для спиральных сверл с увеличением диаметра (по длине режущей кромки) угол 0 возрастет. Передний угол в главной секущей плоскости определяется как





и так же будет увеличиваться к периферии сверла.

 - главный задний угол измеряется в главной секущей плоскости, но при существующих средствах его измерения и контроля он задается в плоскости параллельной оси сверла. Главный задний угол αо - это угол между касательной к задней поверхности в рассматриваемой точке режущей кромки и касательной к образующей цилиндра, образующегося при вращении данной точки вокруг оси сверла. Для определения главного угла  в главной секущей плоскости делают перерасчет по формуле:


.


Главный задний угол образуется путем заточки сверла по задней поверхности. Угол  специально уменьшают к периферии (путем заточки сверла) для обеспечения равнопрочного режущего клина (=сonst) по всей длине режущей кромки.


^ Рассмотрим геометрию резца на поперечной кромке. Для этого рассмотрим поперечную кромку плоскостью PNPN (рис.12), перпендикулярную к ней.




Как видно из рис.12 передний угол на поперечной кромке является отрицательным, поэтому поперечная кромка не режет, а сминает металл.


Рис.12 Геометрия сверла

на поперечной кромке


Геометрические параметры и конструкция цилиндрической фрезы представлены на рис.13.

К конструктивным элементам фрезы относятся: длина L и диаметр D фрезы, количество зубьев, форма стружечной канавки.

Геометрические параметры фрезы: угол наклона винтовой канавки , передний угол , главный задний угол .




Рис.13 Конструкция и геометрические параметры

цилиндрической фрезы


Для удобства заточки и контроля переднего угла  его лучше задавать в плоскости PN, проходящей перпендикулярно главной режущей кромке фрезы.

N – угол между касательной к передней поверхности и нормалью к плоскости, касательной к цилиндрической поверхности фрезы.

Между передним углом , главным задним углом и углами в плоскости РN и имеется следующие соотношения:

.

^

ИЗМЕНЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА




Изменение углов резца в зависимости от положения его вершины относительно оси центров

^

Как уже было сказано выше, изменение углов резца при установке его на станок рассматривают в статической системе координат.


Рассмотрим случай, когда вершина резца расположена ниже оси центров на величину h (рис.14), а углы l и j равны нулю. При расположении вершины резца по центру заготовки передний и главный задний углы соответственно равны и . Если вершину резца опустить ниже оси заготовки на величину h, то статическая система координат повернется на угол μ и углы будут соответственно равны и .




Рис.14 Изменение углов резца при установке его на станок


Из рисунка видно, что угол уменьшился, а угол увеличился на величину угла μ. Соответственно углы и будут равны:





Если угол будет отличен от нуля (j¹0), угол можно найти как

Тогда



.

Если вершина резца будет расположена выше оси центров, знаки в формулах для определения углов и меняются на противоположные.


Кинематическое изменение углов резца

Рассмотрим кинематическое изменение углов проходного упорного резца при токарной обработке с продольной подачей () (рис.15).


При отсутствии движения подачи DS углы резца рассматриваются в статической системе координат и соответственно равны и . В результате суммирования двух движений главного Dr и подачи Ds статическая система координат поворачивается на угол τ и переходит в кинематическую систему координат, которая уже ориентирована относительно направления вектора скорости результирующего движения (Ve), а углы будут равны и .



Рис.15 Кинематическое изменение углов резца при точении с

продольной подачей


Как видно из рисунка, передний угол g увеличился, а главный задний угол a уменьшился на величину угла τ:




Величину угла можно найти как



С учетом этого





Если угол j будет отличен от 90о (j¹90°), то величина угла будет равна



а выражение для определения углов и будут равны:






Для обычных условий обработки угол τ имеет небольшое значение и им можно пренебречь, но в случае нарезания резьбы или при обработке с большими подачами эти изменения нужно учитывать.


^

Токарная обработка с поперечной подачей






Рис.16 Кинематическое изменение углов резца при точении с

поперечной подачей(обрезка заготовки)


По аналогии с предыдущим случаем имеем (рис.16):






Из полученных выражений следует, что главный задний угол надо выбирать таким, чтобы на любом диаметре угол αк был больше нуля.


^

Предпосылки, положенные в основу оптимальной геометрии инструмента



Для рациональной эксплуатации режущего инструмента он должен быть наделен оптимальной геометрией.

Под оптимальной геометрией понимается такое сочетание формы передней поверхности и значений углов режущей части, которое обеспечивает:

– достаточную прочность режущего клина инструмента;

– заданное качество обработанной поверхности;

– минимальные усилия резания;

– снижение износа инструмента.


^

Назначение и выбор переднего угла




Передний угол может быть положительным, отрицательным и равным нулю (рис.17).



Рис.17 Передний угол резца: положительный(а),

равный нулю(б), отрицательный(в)


Передний угол предназначен для облегчения процесса резания. При увеличении положительного переднего угла снижается деформация обрабатываемого материала и силы резания, но с другой стороны снижается прочность режущего клина, т.к. уменьшается угол заострения .

Передний угол оказывает влияние на величину и направление силы резания, прочность режущего клина и период стойкости инструмента. Передний угол для инструмента из быстрорежущей стали всегда положительный или равен нулю. Для инструмента из твердого сплава он может быть как положительным, так и отрицательным. Отрицательные передние углы для твердосплавного инструмента мера вынужденная и связана с низкой прочностью на изгиб твердого сплава. Передний угол выбирается из предпосылок: с одной стороны он должен как можно больше облегчать процесс резания, с другой – обеспечивать достаточную прочность режущего клина инструмента.


^

Назначение и выбор заднего угла




Задний угол a предназначен для снижения трения на задней поверхности инструмента. Он оказывает влияние на прочность режущего клина, период стойкости инструмента, качество обработанной поверхности. С увеличением заднего угла уменьшаются силы резания, высота микронеровностей, повышается период стойкости инструмента, но снижается прочность режущего клина из-за уменьшения угла заострения . Задний угол в
ыбирается из тех же предпосылок, что и передний угол.

С точки зрения процесса резания нужно создавать как можно большие задние углы, но с другой стороны это снижает прочность режущего клина инструмента.

При чистовой (окончательной) обработке необходимо выбирать большие задние углы, чем при черновой (предварительной). При черновой обработке и снятии большого слоя материала важна прочность режущего клина и, следовательно, задние углы должны быть меньше.


^

Выбор угла наклона главной режущей кромки




Угол наклона главной режущей кромки () оказывает влияние на шероховатость обработанной поверхности, т.к. определяет направление схода стружки, и прочность режущего клина инструмента.




Рис.18 Угол наклона главной режущей кромки:

положительный(а), равный нулю(б) и отрицательный(в)


Угол l может быть положительным, отрицательным, равным нулю (рис.18). Угол λ является отрицательным, когда вершина резца является наивысшей точкой режущей кромки, положительным – наинизшей точкой.

Если угол l=0 стружка будет сходить в сторону уже обработанной поверхности, так как скорость резания (а, следовательно, и скорость стружки) в т. В > скорости резания в т. А (рис.19,а). Такое направление схода стружки будет ухудшать шероховатость обработанной поверхности.

Если угол l будет положительным, стружка тем более будет сходить в сторону уже обрабатываемой поверхности, так как в эту сторону направлен вектор скорости Vр (рис.19, б).




Рис.19 Влияние угла наклона главной режущей кромки на

направление схода стружки(вид по стрелке «В» увеличен)


В случае отрицательного угла l, стружка будет сходить в направлении вектора скорости VР в сторону обрабатываемой поверхности (рис.19,в). Следовательно, при чистовой обработке l должен быть отрицательным, при черновой – положительным или равным нулю.

С точки зрения прочности режущего клина инструмента необходимо выбирать углы l положительные или равные нулю. Это связано с тем, что при отрицательном угле l наибольшая нагрузка приходится на вершину резца, которая является наименее прочным местом режущей части. При положительном угле l или равном нулю нагрузка приходится не на вершину резца, а на удаленное от нее место режущей кромки, которое более прочно, чем вершина.

^

Выбор главного и вспомогательного углов в плане




Эти углы оказывают влияние на шероховатость обработанной поверхности и на износ инструмента.

Уменьшение углов j и j1 приводит к снижению шероховатости обработанной поверхности и повышению периода стойкости инструмента, но в то же время - к увеличению силы отжимающей резец от заготовки (сила Ру), что может привести к возникновению вибраций. Поэтому главный угол в плане должен выбираться исходя из жесткости заготовки.

При чистовой обработке жестких заготовок угол φ необходимо брать меньше, чтобы обеспечить более высокую работоспособность инструмента и меньшую высоту микронеровностей обработанной поверхности, при обработке нежестких заготовок необходимо учитывать вероятность возникновения вибраций (для уменьшения составляющей силы резания Ру следует увеличивать главный угол в плане).

Вспомогательный угол в плане для резцов обычно берется в пределах 10-30о.

^

Выбор радиуса при вершине резца





Влияние радиуса при вершине на процесс резания аналогично влиянию главного угла в плане j. Увеличение радиуса влечет за собой увеличение силы резания, отжимающей резец от заготовки, что может привести к возникновению вибраций; увеличение радиуса – уменьшает высоту микронеровностей обработанной поверхности.


^

Форма передней поверхности




Передняя поверхность оформляется в двух вариантах – плоской и криволинейной (рис.20).

1) Плоская форма передней поверхности применяется для обработки твердых и хрупких материалов (чугун, бронза и др.).




Рис.20 Форма передней поверхности резцов


2) Криволинейная - для обработки вязких и мягких материалов (сталь и др.). Выкружка (канавка) радиусом R предназначена для завивания стружки.

Для упрочнения режущего клина на передней поверхности инструмента делается фаска . Для твердосплавного инструмента фаска располагается под отрицательным углом (), для быстрорежущего – под положительным или равным нулю.

^

Элементы режима резания. Геометрия срезаемого слоя




К элементам режима резания относятся: скорость резания, подача, глубина резания (рис. 21, 22).

^ Скорость резания, V [м/мин] – путь перемещения обрабатываемой поверхности заготовки в единицу времени относительно режущей кромки инструмента.



где n – частота вращения (об/мин), D – диаметр обрабатываемой поверхности, (мм).

Подача, S – величина перемещения режущей кромки резца в направлении движения подачи (DS). Рассматривают подачу на оборот Sо, [мм/об] – перемещение режущей кромки резца в направлении движения подачи за один оборот заготовки; минутную подачу Sмин или скорость движения подачи VS [мм/мин] - перемещение режущей кромки резца в направлении движения подачи за одну минуту: Sмин =VS= S0n.

^ Глубина резания, t – величина слоя материала снимаемого за один проход инструмента, рассматриваемого как расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями:



где Do – диаметр обработанной поверхности, (мм).


^ Основное технологическое время, То - время, затрачиваемое непосредственно на процесс снятия стружки:





где (рис. 16) l – длина обработанной поверхности, мм;

у - величина врезания инструмента, мм;

D - величина перебега инструмента, мм.



Рис.21 Схема для определения элементов режима резания




Рис.22 Схема к определению геометрии срезаемого слоя


К геометрии срезаемого слоя относятся: ширина срезаемого слоя, толщина срезаемого слоя и площадь срезаемого слоя (рис. 22).

Ширина срезаемого слоя, b – расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями измеренное вдоль главной режущей кромки:



Толщина срезаемого слоя, a – расстояние между двумя последовательными положениями поверхности резания:

a=Sо×sinj.

Площадь срезаемого слоя, F:

F=Sоt=ab.

^

Рассматривают номинальную площадь срезаемого слоя АВДК, действительную – АЕДК и остаточную – АВЕ.




Расчет высоты микронеровностей




Рассмотрим проходной резец с радиусом при вершине равным нулю. Выделим на рис. 17 треугольник АВЕ (рис. 23).



Рис.23 Схема к определению высоты микронеровностей


h – высота расчетной (геометрической) микронеровности.

Из треугольника АВЕ имеем:



AB=Sо=h/tgj1 + h/tgj = h(ctgj1 + ctgj).



При радиусе при вершине резца не равном нулю (r≠0) величину h можно рассчитать по формуле:





^

Инструментальные материалы



Наибольшее влияние на эффективность процессов механической обработки резанием оказывает совершенствование свойств инструментальных материалов.

Появление в конце XIX века быстрорежущих сталей с теплостойкостью 550 – 640 оС оказало сильное влияние на совершенствование станочного оборудования и повышение производительности обработки. Использование быстрорежущего инструмента позволило повысить скорость резания от 10 – 25 м/мин до 60 – 80 м/мин и разработать металлорежущие станки нового поколения, способных развивать частоту вращения шпинделя до 400 – 600 об/мин. Разработка в 20-30 годы 20-го столетия твердых сплавов с твердостью в 1,5 – 2 раза выше твердости быстрорежущих сталей и теплостойкостью 700 – 1100 оС способствовало повышению скорости резания до 100 – 450 м/мин, стимулировало создание нового поколения металлорежущих станков с частотой вращения шпинделя до 3000 об/мин. В 40-70 годы 20-го столетия металлообрабатывающая промышленность развитых стран мира стала использовать высокопроизводительные инструментальные материалы высокой твердости и теплостойкости на основе режущей керамики, алмазов и кубического нитрида бора. Применение инструмента, оснащенного этими инструментальными материалами, позволило увеличить скорости резания до 1000 м \мин и выше. Возможность использования столь высоких скоростей резания потребовала разработки принципиально новых конструкций металлорежущих станков, оснащенных шпиндельными узлами, способных обеспечить частоту вращения 10000 об/мин и больше.

Современная металлообрабатывающая промышленность широко использует дорогостоящее автоматизированное оборудование, управляемое от ЭВМ. Эксплуатация такого оборудования характеризуется резким ростом стоимости станкоминуты, ужесточением условий эксплуатации режущего инструмента, увеличением расхода инструментального материала и затрат на инструмент, составляющий в ряде случаев до 10-15% (а при многоинструментальных наладках на многошпиндельных станках, а также при применении дорогого инструмента – до 50%) расходов на механообработку. Таким образом, повышение режущих свойств инструмента при высокой вероятности его безотказной работы (высокой эксплуатационной надежности), интенсификация резания являются важнейшими резервами повышения эффективности автоматизированных металлообрабатывающих производств.


Требования, предъявляемые к инструментальным материалам


В процессе выполнения своих функций контактные площадки инструмента подвергаются интенсивному воздействию высоких контактных напряжений и температур, значения которых имеют переменный характер, а взаимодействие с обрабатываемом материалом и реагентами из окружающей среды приводит к протеканию интенсивных физико-химических процессов (адгезии, диффузии, окисления и коррозии).

Учитывая необходимость сопротивления контактных площадок режущего инструмента микро- и макроразрушению в указанных условиях рассмотрим требования, предъявляемые к инструментальному материалу.

Для того чтобы режущий клин инструмента, не деформируясь, мог срезать слой обрабатываемого материала, твердость инструментального материала должна значительно превосходить твердость обрабатываемого материала. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к инструментальному материалу, является его высокая твердость.

Высокие механические нагрузки на режущий клин инструмента требуют, чтобы инструментальный материал обладал достаточной механической прочностью. Режущий клин инструмента должен выдерживать высокие напряжения без хрупкого разрушения и заметного пластического деформирования. Так как инструмент может работать в условиях знакопеременных (циклических) нагрузок (прерывистое резание, непрерывное резание с переменным припуском или твердыми включениями на поверхности заготовки и т.д.), поэтому, желательным требованием к инструментальному материалу, наряду с механической прочностью на сжатие и изгиб, является высокая сопротивляемость разрушению при знакопеременном нагружении (высокий предел выносливости).

В процессе резания контактные площадки инструмента подвергаются высокому температурному воздействию (до 800-1000 оС), что может привести к температурному разупрочнению и потере твердости инструментального материала. Поэтому следующим важным требованием к инструментальному материалу является его способность сохранять свою твердость и прочностные характеристики при повышенных температурах, соответствующих температурам резания. Обычно это свойство инструментального материала называют теплостойкостью, которая является важнейшим показателем качества инструментального материала. С учетом необходимости использования инструмента в условиях периодического изменения температуры (например, прерывистое резание) инструментальный материал должен быть малочувствительным к циклическим температурным изменениям.

Важным условием нормальной работы инструмента является снижение вероятности появления локальных термических напряжений на контактных площадках инструмента. Такая вероятность снижается по мере роста теплопроводности инструментального материала. Поэтому последний должен обладать достаточной теплопроводностью.

Весьма важным свойством инструментального материала является его способность сопротивляться истиранию при контактном взаимодействии с обрабатываемом материалом. Поэтому инструментальный материал должен иметь высокую износостойкость.

Наряду с требованиями к физико-механическим и теплофизическим свойствам инструментального материала, необходимым условием достижения достаточно высоких режущих свойств инструмента является низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального материала (геометрические и структурные особенности кристаллического строения, теплофизические свойства, структурные и термодинамические особенности фазового состава и т.д.) должны существенно отличаться от соответствующих свойств инструментального материала. Степень такого отличия сильно влияет на интенсивность физико-химических процессов (адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы), и изнашивание контактных площадок инструмента.

Физико-химические, теплофизические и кристаллохимические свойства инструментального материала сильно влияют на работоспособность режущего инструмента, а оптимальный выбор сочетания этих свойств позволяет в известных пределах управлять процессами изнашивания инструмента, трансформировать один механизм изнашивания в другой, снижать интенсивность изнашивания контактных площадок инструмента. Например, при постоянных значениях геометрических параметров инструмента и режимов обработки, рост таких свойств инструментального материала как твердость, теплостойкость, прочность, пассивность по отношению к обрабатываемому материалу и активным реагентам из окружающей среды, приводит к росту износостойкости контактных площадок инструмента, и соответствующему увеличению его работоспособности. Однако большинство физико-механических и теплофизических свойств инструментального материала неоднозначны, так как улучшение одного из них, ведет к ухудшению других.



  1. ^ Углеродистые и легированные инструментальные стали


Для изготовления режущего инструмента применяют высокоуглеродистые, высококачественные стали с содержанием углерода 0,9…1,3% (У9А, У10А, У12А и т. д.).


Таблица 1. Некоторые свойства наиболее применяемых углеродистых

инструментальных сталей.



Марка стали

Физико-механические свойства



Карбид-ная фаза, %



Тепло-стой-кость, оС





г/см3



НВ,

МПа


После отжига

После закалки и отпуска

НВ, МПа

, МПа

, МПа

105, Дж/м2

НRCэ

У10;У10А

7,81

321

197

6500

2380

0,2

63-65

14,0-16,0

200-250

У11;У11А

7,81

341

207

6500

2900

-

63-65

15,5-17,0

200-250

У12;У12А

7,81

341

207

6400

1720

0,2

63-65

17,0-18,5

200-250

У13;У13А

7,81

341

217

-

2300

-

63-65

18,5-20,0

200-250

Углеродистые инструментальные стали обозначаются буквой У, за которой следует цифра, характеризующая массовое содержание углерода в стали, умноженная на 0,1. Так в стали марки У10 массовое содержание углерода составляет 1%. Буква А в обозначении соответствует высококачественным сталям с пониженным массовым содержанием примесей.

После полной термической обработки они имеют высокую твёрдость (61…63 HRCэ), что позволяет режущему инструменту, изготовленному из данных сталей, обрабатывать заготовки из углеродистых сталей и чугунов в отожжённом и нормализованном состоянии с твёрдостью 30…32 HRCэ. Из-за низкой теплостойкости режущий инструмент, изготовленный из них, работает на скоростях резания не выше 20…25 м/мин.

Износостойкость углеродистых сталей в указанном диапазоне скоростей резания может быть повышена путём легирования их небольшим количеством вольфрама, хрома, кремния и марганца. Такие инструментальные стали получили название легированных (9ХС, ХВГ, ХВ6 и др.).

Таблица 2. Некоторые свойства наиболее применяемых

легированных инструментальных сталей.



Марка стали

Физико-механические свойства



Карбид-ная фаза, %



Тепло-стой-кость, оС





г/см3



НВ,

МПа

После отжига

После закалки и отпуска

НВ, МПа

, МПа

, МПа

105, Дж/м2

НRCэ

11Х;11ХФ

7,82

341

217

-

2700

1,6

63-65

15,5-17,0

200-250

9ХС

7,83

415

241

7000

2200

0,25

63-66

12,5-14,0

240-250

ХВСГ

7,83

388

255

-

3200

-

62-64

14,0-15,5

200-220

ХВГ

7,83

5140

255

-

3400

-

63-66

14,0-16,0

200-220

Х6ВФ

-

5780

229

7300

3150

-

59-61

12,0-14,0

400-500

Х12Ф1

-

5780

225

-

3000

2,95

63-65

15,0-17,0

490-510

Х12М

-

5780

255

-

-

-

63-65

-

490-510


Легированные инструментальные стали обозначаются цифрой, характеризующая массовое содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, то содержание углерода 1%), за которой следуют буквы, соответствующие легирующим элементам (Г-марганец, Х-хром, С-кремний, В-вольфрам, Ф-ванадий), и цифры, обозначающие содержание элемента в процентах. Они обладают повышенной твёрдостью (HRCэ 63…65), средняя теплостойкость – 250 оС. Из легированных сталей изготавливают сложнопрофильные мелкоразмерные инструменты: развёртки, фасонные резцы, метчики, плашки.



  1. ^ Быстрорежущие стали


Доля режущего инструмента из быстрорежущей стали (в общем объёме режущего инструмента) составляет до 70%.

Повышенная теплостойкость данных сталей предопределяется введением в их состав легирующих элементов (W, Mo, Cr, V и Co), образующих сложные карбиды, которые связывает практически весь углерод. Поэтому коагуляция карбидов происходит при повышенных температурах и теплостойкость стали повышается до 580…700 оС. Высокая твёрдость быстрорежущих сталей (63…70 HRCэ), прочность на изгиб и сжатие связаны с превращением (переходом) остаточного аустенита в мартенсит, а также с дисперсионным упрочнением сталей в результате выделения карбидов, не растворившихся при закалки. Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующие карбидообразующим и легирующим элементам (В-вольфрам, М-молибден, Ф-ванадий, А-азот, К-кобальт). За буквой следует цифра, обозначающая среднее массовое содержание элемента в процентах. Цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента.

По уровню теплостойкости быстрорежущие стали делятся на три группы:

  1. Стали нормальной теплостойкости – вольфрамовые быстрорежущие (Р18, Р9, Р12) и вольфрамомолибденовые быстрорежущие стали (Р6М5,Р8М3). 2.Стали повышенной теплостойкости – вольфрамокобальтовые быстрорежущие (Р9К5, Р9К10, Р6М5К5), вольфрамованадивые быстрорежущие стали (Р12Ф3, Р6М5Ф3). 3. Стали высокой теплостойкости (В11М7К23, В14М7К25).

^ Быстрорежущие стали нормальной теплостойкости. Стали данной группы имеют твердость в закаленном состоянии 63-65 НRСэ, предел прочности при изгибе 2,9-3,4 ГПа, ударную вязкость 2,7-4,8 Дж/м2, теплостойкость 620-630оС (табл. 3). Указанные в табл.3 марки сталей получили наиболее широкое распространение для изготовления режущего инструмента. Режущие инструменты, изготовленные из сталей нормальной теплостойкости, используются при обработке заготовок из конструкционных сталей, чугунов, цветных сплавов и конструкционных пластмасс. Применяются стали дополнительно легированные азотом, например, Р6АМ5, которые являются модификациями обычных быстрорежущих сталей. Легирование азотом повышает твердость стали и режущие свойства инструмента.


Таблица 3. Некоторые свойства быстрорежущих сталей нормальной

теплостойкости.



Марка стали





г/см3

Твердость

После закалки

Температура, оС



Тепло-стойкость, оС


После отжи-га, НВ

После закалки и отпус-ка, НRСэ



, МПа


105, Дж/м2



Закал-ки



Отпус-ка

Р18

8,75

265

63

2,9-3,1

3,0

1270

560

620

Р9

8,3

255

63

3,35

2,0

1220

550

620

Р6М5; Р6АМ5

8,15

255

64

3,3-3,4

4,8

1220

550

620

11Р3АМ3Ф2

7,9

255

63

2,9-3,1

4,5

1200

550

620

Р6М5Ф3

8,15

269

64

-

4,0

1220

550

630

Р12Ф3

8,39

269

64

3,0-3,1

2,7

1250

560

630

Р9К5

8,25

269

64

2,5

0,7

1230

570

630

Р6М5К5

8,15

269

65

3,0

2,75

1230

550

630

Р9М4К8

8,3

285

65

2,5

2,6

1230

550

630



^ Быстрорежущие стали повышенной теплостойкости. Повышение износостойкости и теплостойкости быстрорежущих сталей достигается дополнительным легированием их ванадием и кобальтом с соответствующим изменением содержания углерода (табл. 4, 5).


Таблица 4. Некоторые составы высокованадиевых сталей.

Марка стали

Химический состав, % (масса)

С

W

Мо

Сr

V

Р12Ф4

Р6М5Ф3

Р6М5Ф4

1,27

1,2

1,3

12

5,8

5,8

до 1

5,0

5,0

4,0

4,2

4,2

4,0

3,0

4,0


Стали данной группы характеризуются повышенным содержанием углерода. Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 65-67 НRCэ, теплостойкость сталей – 640-650оС. Инструменты, изготовленные из сталей повышенной теплостойкости, используются при обработке заготовок из жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности.

При легировании 2,5…5% ванадия и увеличением содержания на каждые 1% ванадия 0,2% углерода, в стали образуется повышенное количество карбидов вольфрама (типа Ме6С), которые практически не растворяются при нагреве под закалку. Наличие в стали после закалки и отпуска ванадиевых карбидов аналогичного типа обеспечивает изготовленному из нее инструменту повышенную износостойкость. Наиболее распространенной маркой этой группы является сталь Р6М5Ф3.

Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия, так как твердость последних не уступает твердости зерен шлифовального круга.

Кобальт не является карбидообразующим элементом, поэтому его введение приводит к увеличению температуры превращений, повышается химическая активность углерода, вольфрама и молибдена в феррите, что является причиной образования увеличенного количества дисперсных частиц, играющие роль фазовых упрочнителей при отпуске. Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту.

Влияние кобальта на свойства быстрорежущей стали становится заметным при его введении в сталь в количестве 5%. В связи с указанным, типичные концентрации кобальта составляют 5-8% и реже – 10-12%.

Наиболее распространенные кобальтовые стали представлены в табл. 5.


Таблица 5.Составы наиболее применяемых кобальтовых

быстрорежущих сталей.

Марка стали

Химический состав, % по массе

C

W

Mo

Cr

V

Co

Р9К5

Р9К10

Р18Ф2К5

Р6М5К5

Р6М5К8

Р2М9К8

Р12Ф4К5

0,9

0,9

0,77

0,88

0,90

0,90

1,35

9,0

9,0

18,0

6,2

6,2

1,8

12,2

до 1,0

до 1,0

до 1,0

5,0

5,0

8,6

до 1,0

4,0

4,0

4,0

4,0

4,1

4,0

4,5

2,3

2,3

1,5

1,9

1,9

2,0

4,0

5,0

10,0

5,0

5,0

8,0

8,2

4,8


Наряду с большими достоинствами по износостойкости, твердости, теплостойкости и теплопроводности, кобальтовые стали имеют существенные недостатки: относительно низкая пластичность, высокая склонность к обезуглероживанию, в процессе нагрева под горячее деформирование и закалку, сниженная прочность при изгибе. Последний параметр сильно зависит также и от других легирующих элементов. В частности, большей прочностью обладают кобальтовые стали Р2М9К8 ( ГПа) и Р6М5К6 ( ГПа), легированные молибденом, меньшей прочностью обладают вольфрамовые стали типа Р12Ф4К5 ( ГПа).

^ Быстрорежущие стали высокой теплостойкости (стали с интерметаллидным упрочнением). Данные стали характеризуются пониженным содержанием углерода (содержание С до 0,3%) и большим количеством легирующих элементов (В11М7К23, В14М7К25) (табл. 6). Они имеют твердость 69-70 НRCэ и теплостойкость 700-720оС.


Таблица 6. Составы некоторых сталей высокой теплостойкости.

Марка стали

Химический состав, % по массе

C

W

Mo

Cr

V

Co

В11М7К23

В14М7К25


0,1

0,1

11,0

14,0

7,0

7,0

-

-

0,5

0,5

23,0

25,0


Высокая теплостойкость, твердость и износостойкость сталей данной группы определяется повышением уровня температур, приводящих к фазовым превращениям, а также большой сопротивляемостью коагуляции интерметаллидной фазы.

Стали с интерметаллидным упрочнением имеют низкую обрабатываемость резанием в отожженном состоянии (38-40 НRCэ), их прочность близка к прочности кобальтовых сталей ( ГПа). Поэтому инструмент, изготовленный из таких сталей, рекомендуют для обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов.

^ Экономнолегированные быстрорежущие стали. В связи с возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена – основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущих сталей, все большее применение находят стали с низким содержанием указанных элементов или не содержащие вольфрам, которые называют экономнолегированными. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11Р3М3Ф2, которая обладает достаточно высокими показателями по твердости (НRCэ 63-64), прочности ( ГПа) и теплостойкости (до 620оС).

Находит применение низколегированная безвольфрамовая сталь 11М5Ф (1,06% С; 5,5% Мо; 4,0% Сr; 1,5% V). Эта сталь принадлежит к новому классу заэвтектоидных сталей, в отличие от традиционных ледебуритных сталей. Нагрев под закалку позволяет растворить все карбиды типа Ме6С (что невозможно для ледебуритных сталей), что обеспечивает легированность и свойства стали 11М5Ф примерно на уровне соответствующих показателей стали Р6М5.

Сравнительные исследования режущих свойств инструмента из экономнолегированных сталей показали, что по режущим свойствам ближе всех к стали Р6М5 наряду с 11Р3АМ3Ф2 стоят Р2М5 и 11М5Ф.

Сталь 11Р3АМ3Ф2 более технологична в металлургическом производстве, однако из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструментами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).

С целью улучшения свойств быстрорежущей стали 70-х годах широко начали использовать технологию электрошлакового переплава. Карбидная неоднородность металла после электрошлакового переплава снижается на 1-2 балла, стойкость инструмента возрастает на 15-20%.

Электрошлаковый переплав повышает пластичность стали в горячем состоянии, что позволяет увеличивать выход годного при производстве малотехнологичных в металлургическом производстве “сверхбыстрорежущих” сталей. Стоимость сталей электрошлакового производства примерно на 30% выше стоимости таких же марок обычной технологии выплавки.

^ Порошковые быстрорежущие стали. Наиболее эффективные возможности повышения свойств и качества быстрорежущих сталей является технология производства методами порошковой металлургии. Высокие режуще свойства порошковых быстрорежущих сталей определяются особой мелкозернистой структурой, способствующей повышению прочности и уменьшению радиуса округления режущей кромки, улучшенной обрабатываемости резанием и особенно шлифованием.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозернистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, пониженной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем стали аналогичных марок, полученных по традиционной технологии.

Существуют два различных способа получения порошковой быстрорежущей стали: распылением водой и азотом. Изготовление инструмента из водораспыленных порошков дешевле, однако качество металла ниже ввиду сильной окисляемости зерен порошка. Поэтому для получения высококачественного металла используют порошки, получаемые распылением азотом.

Промышленное производство порошковых быстрорежущих сталей в начале 80-х годов направлено на изготовление марок, являющихся аналогами сталей традиционной технологии. Опыт ряда зарубежных фирм США, Швеции, а также отечественных исследователей, показал, что новая технология позволяет существенно изменить схему легирования с целью направленного повышения тех или иных свойств стали, определяющих работоспособность инструмента.

Предлагают следующие принципы разработки новых составов порошковых быстрорежущих сталей:

1. Введение в состав стали до 5-7% ванадия (по массе) с целью увеличения объемной доли карбидов Ме6С в стали до 15% и повышения износостойкости без ухудшения шлифуемости.

2. Повышение содержания углерода, выше его стандартного содержания в быстрорежущих сталях, т.е. введение углерода с “перенасыщением”, а также замена части углерода азотом, который вводят путем азотирования порошка непосредственно перед операцией “компактирования”.

Реализация указанных принципов позволяет использовать относительно низкие массовые доли вольфрама, молибдена и кобальта для получения максимальных значений твердости и теплостойкости. В частности, были разработаны порошковые быстрорежущие стали ДИ 100 (Р7М2Ф6) и ДИ 106 (Р9М2Ф5К6-М1) по ГОСТ 28393-89. Инструменты, изготовленные из указанных сталей, показали высокую эффективность в ходе многочисленных промышленных испытаний.

Технология порошковой металлургии также используется для получения карбидосталей, которые по своим свойствам могут быть классифицированы как промежуточные между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

Карбидостали отличаются от обычных быстрорежущих сталей высоким содержанием карбидной фазы (в основном, карбидов титана), что достигается путем смешивания порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание карбидной фазы в карбидостали колеблется от 30 до 70%. Пластическим деформированием, главным образом экструзией, из спрессованного порошка получают заготовки простой формы. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет НRCэ 40-44, а после закалки и отпуска НRCэ 68-70.

При использовании в качества материала режущего инструмента карбидосталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными марками обычной технологии производства. В ряде случаев карбидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении формообразующих инструментов.


^ 3. Твёрдые сплавы


Твёрдые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов резанием.

Общее количество режущего инструмента из твердого сплава не превышает 25%, но из-за высокой скорости резания (в 2,5…3 раза выше по сравнению с быстрорежущим инструментом) они снимают до 65% всей стружки (из всего объёма стружки, снимаемой инструментами из всех имеющих инструментальных материалов). Стандартные твердые сплавы состоят из тугоплавких соединений (карбидов вольфрама, титана и тантала) и связующей фазы (кобальт) и подразделяются на три группы:

1 – однокарбидные (вольфрамовые, группа ВК, (WC + Co));

2 – двухкарбидные (вольфрамотитановые, группа ТК, (WC + TiC + Co));

3 – трёхкарбидные (вольфрамотитанотанталовые, группа ТТК, (WC + TiC + TaC + Co)).

Обозначение твердых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В-вольфрам, Т-титан, вторая буква Т-тантал) и связку (К-кобальт). Цифра после буквы К обозначает массовую долю связки в процентах. Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид вольфрама, определяется разностью между 100% и массовой долей связки. Например, сплав ВК4 содержит 4% кобальта и 96% WC. В двухкарбидных WC+TiC сплавах цифра после буквы карбидообразующего элемента обозначает массовую долю карбида этого элемента (TiC), а массовая доля карбида второго элемента (WC) определяется разницей между 100% и массовыми долями связки и карбида первого элемента (например, сплав Т5К10 содержит 5% ТiС, 10% Со и 85% WC). В трехкарбидных WC+ТiС+ТаС сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и тантала. Массовая доля карбида вольфрама определяется разницей между 100% и массовыми долями связки и карбидов TiC и ТаС. Например, сплав ТТ7К12 содержит 12% Со, 7% карбидов титана и тантала (TiC+TaC) и 81% WC.

Вольфрамо-кобальтовые твердые сплавы

Вольфрамо-кобальтовые сплавы (ВК) состоят из карбида вольфрама и кобальта. Марки сплавов этой группы различаются по содержанию в них кобальта, размерами зерен карбида вольфрама (WC) и технологией изготовления. Для оснащения режущего инструмента применяются сплавы с содержанием кобальта от 3% до 10% весовых (табл. 7).


Таблица 7. Физико-механические характеристики

вольфрамокобальтовых сплавов.

Марка сплава

Состав, %

,

МПа

Плотность, г/см3

НRA, не менее

WC

Другие соединения

Co

ВК3

ВК3-М

ВК6

ВК6-М

ВК6-ОМ

ВК8

ВК10-ХОМ

97

97

94

94

92

92

88

-

-

-

-

ТаС

-

Сr2C3

3

3

6

6

6

8

10

1176

1176

1519

1421

1274

1666

1600

15,0-15,3

15,0-15,3

14,6-15,0

14,8-15,1

14,7-15,0

14,4-14,8

14,3-14,6

89,5

91,0

88,5

90,0

90,5

87,5

89,0


При увеличении в сплавах содержания кобальта в рассматриваемом диапазоне предел прочности при поперечном изгибе и эксплуатационная прочность при резании возрастают, в то время как твердость и износостойкость уменьшаются. Так, сплав ВК3 с минимальным содержанием кобальта, как наиболее износостойкий, но наименее прочный, рекомендуют для чистовой обработки с максимально допустимой скоростью резания, а сплавы ВК8 и ВК10-ХОМ – для черновой обработки с пониженной скоростью резания и увеличенным сечением среза в условиях ударных нагрузок.

Вольфрамокобальтовые сплавы рекомендуются преимущественно для обработки материалов, дающих дискретные типы стружек (элементная, стружка надлома): чугуны, цветные материалы, стеклопластики, фарфор и труднообрабатываемые материалы (коррозионностойкие, высокопрочные стали, жаропрочные сплавы на основе никеля и титана и т.д.).

При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства в значительной мере определяются зернистостью карбидной фазы, главным образом, средним размером зерен карбида вольфрама. Разработанные технологические приемы позволяют получить твердые сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может изменяться от долей микрона до 10-15 мкм. С увеличением размера зерен карбидо-вольфрамовой фазы твердость, модуль упругости, сопротивление абразивному изнашиванию и стойкости при резании чугуна уменьшаются, а предел прочности при изгибе растет. Эту закономерность широко используют для создания сплавов различного назначения с требуемыми свойствами.

Первыми такими сплавами, выпущенными промышленностью были мелкозернистые сплавы марок ВК3-М и ВК6-М, показавшие хорошие результаты при чистовой обработке твердых чугунов, закаленных сталей, а также коррозионностойких сталей и некоторых других марок труднообрабатываемых материалов. Затем была разработана гамма сплавов с весьма мелкозернистой структурой (основная масса зерен карбида вольфрама размером менее 1 мкм) и с содержанием кобальта 6 и 10%.

Сплавы содержат также наибольшие добавки карбида тантала (около 2%) и ванадия (0,1%), которые, главным образом, препятствуют росту зерен карбида вольфрама при спекании. Сплав ВК6-ОМ дает хорошие результаты при тонком точении и растачивании некоторых марок жаропрочных и коррозионностойких сталей и сплавов, чугунов высокой твердости, в том числе и ковких, закаленных сталей и алюминиевых сплавов. Особенно эффективен сплав ВК6-ОМ при обработке вольфрама и молибдена, а также при развертывании и шабрении заготовок из стали и чугуна.

Дальнейшим развитием и совершенствованием сплавов этого направления являются сплавы, в которых карбид тантала заменен карбидом хрома. Установлено, что карбид хрома тормозит рост зерен карбида вольфрама при спекании и способствует получению сплавов с весьма мелкозернистой структурой и высокой износостойкостью, а также увеличивает твердость и прочность сплавов при повышенных температурах.

Сплав ВК10-ХОМ предназначен для черновой и получерновой обработки некоторых марок коррозионностойких сталей, титановых и никелевых сплавов, и особенно сплавов вольфрама и молибдена. Благодаря особо мелкозернистой, плотной структуре сплавов можно затачивать и доводить инструменты с наименьшими радиусами округления режущих кромок, что, в свою очередь, обеспечивает получение более малой высоты микронеровностей обработанной поверхности и размерной точности.

Еще одно направление совершенствования сплавов для резания конструкционных сталей, чугунов и труднообрабатываемых материалов связано с совершенствованием связки. Примером такого совершенствования сплава является разработка сплава ВРК15 (ТУ 48-19-462-89) с жаропрочной кобальт-рениевой связующей фазой для черновой и получистовой обработки. Сплав отличается высокой прочностью при повышенных температурах, низкой адгезией с обрабатываемым материалом и относительно высокой износостойкостью. Применение инструментов, оснащенных сплавом ВРК15, позволяет повысить производительность обработки резанием за счет увеличения скорости резания или сечения среза.

Наряду с содержанием кобальта и зернистостью фазы WC, большое влияние на режущие свойства сплавов WC-Co оказывает содержание углерода в сплаве. Это связано с тем, что содержание углерода в пределах двухфазовой области WC-Co не влияет на фазовый состав сплава, но оказывает заметное влияние на состав связующей (кобальтовой) фазы. Последнее обусловлено изменением растворимости вольфрама в кобальте. Изменение состава кобальтовой фазы оказывает сильное влияние и на изменение свойств сплава в целом. Кроме того, наличие в сплаве избытка углерода в виде графита приводит к снижению износостойкости сплава, а недостаток углерода вызывает образование -фазы (W3Co3C), которая повышает износостойкость, но снижает прочность сплава. Таким образом, при одинаковом содержании кобальта малоуглеродистые сплавы более износостойки, но менее прочны, чем высокоуглеродистые. С ростом в сплаве содержание кобальта увеличивается и влияние углерода на свойства сплава.


Титановольфрамовые твердые сплавы

Титановольфрамовые сплавы (ТК) выпускают главным образом для оснащения инструментов при обработке резанием сталей, дающих сливную стружку. По сравнению со сплавами ВК они обладают большей стойкостью против окисления, твердостью и теплостойкостью (теплостойкость сплавов ТК~900оС, сплавов ВК~800оС), в то же время меньшую теплопроводность и электропроводность, а также меньший модуль упругости.

Повышенная способность титановольфрамовых сплавов сопротивляться адгезионно-усталостному изнашиванию объясняется тем, что температурный порог их схватывания со сталью существенно выше, чем у сплавов WC-Co. Титановольфрамовые сплавы позволяют применять более высокие скорости резания при обработке стали и существенно повысить стойкость инструмента.

Сплавы группы ТК стандартных марок имеют различный состав в зависимости от условий их применения. Содержание карбида титана колеблется в пределах 5-30%, кобальта от 4 до 10% (табл. 8).


Таблица 8. Физико-химические характеристики титано-вольфрамо-

кобальтовых сплавов (ГОСТ 3882-74)

Марка сплава

Состав, %

,

МПа

Плотность, г/см3

НRA, не менее

WC

TiC

Co

Т30К4

Т15К6

Т14К8

Т5К10

66

79

78

85

30

15

14

6

4

6

8

9

980

1176

1274

1421

9,5-9,8

11,1-11,6

11,2-11,6

12,4-13,1

92,0

90,0

89,5

88,5


Так же, как и у сплавов WC-Co, предел прочности при изгибе и сжатии, а также ударная вязкость у сплавов ТК увеличивается с ростом содержания кобальта. С увеличением содержания углерода в пределах трехфазовой области прочность при изгибе растет, а твердость и износостойкость снижаются. Наличие структурно свободного углерода приводит одновременно к снижению прочности, твердости и износостойкости при резании.

Присутствие в сплаве -фазы снижает предел прочности при изгибе, но повышает твердость и износостойкость при резании.

У сплавов с одинаковым содержанием кобальта и одинаковым размером карбидных фаз предел прочности при изгибе и сжатии, ударная вязкость, пластическая деформация и модуль упругости уменьшается при увеличении содержания карбида титана.

В соответствии с приведенными закономерностями меняются и режущие свойства сплавов: увеличение содержания кобальта приводит к снижению износостойкости сплавов при резании, а с ростом содержания карбида титана (при постоянном объемном содержании кобальта) повышается износостойкость, но одновременно снижается эксплуатационная прочность. Поэтому такие марки сплавов, как Т3ОК4 и Т15К6, обладающие максимальным запасом пластической прочности, применяются в условиях чистовой и получистовой обработки стали с высокой скоростью резания, малыми или умеренными нагрузками на инструмент. Сплавы Т5К10, Т5К12 с наибольшим содержанием кобальта и запасом хрупкой прочности предназначены для работы в тяжелых условиях ударных нагрузок с пониженной скоростью резания.


Титано-тантало-вольрамовые твердые сплавы

Промышленные титано-тантало-вольфрамовые твердые сплавы (сплавы ТТК) состоят из трех основных фаз: твердого раствора (Ti, W, Ta)С, карбида вольфрама и твердого раствора на основе кобальта.

Введение в сплавы карбида тантала улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности при изгибе и твердости при комнатной и повышенной температурах, увеличении работы деформации при повышенных температурах. Карбид тантала в сплавах снижает ползучесть, существенно повышает предел усталости трехфазных сплавов при циклическом нагружении, а также повышает термостойкость и стойкость против окисления на воздухе.

Отечественный стандарт (ГОСТ 3882-74) включает следующие марки сплавов этой группы – ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ7К12, ТТ20К9, в которых содержание карбида тантала колеблется от 2 до 12% (табл. 9).

Исследование режущих свойств сплавов ТТК показало, что увеличение в сплаве содержания карбида тантала повышает его износостойкость при резании, особенно за счет меньшей склонности к лункообразованию и разрушению под действием термоциклических и усталостных нагрузок.


Таблица 9. Состав и характеристики физико-механических свойств титано-тантало-вольфрамовых марок твердых сплавов

для резания(ГОСТ 3882-74)

Марка сплава

Состав, %

,

МПа

Плотность, г/см3

НRA, не менее

WC

TiC

TaC

Co

ТТ7К12

ТТ8К6

ТТ10К8-Б

ТТ20К9

81

84

82

67

4

8

3

9,4

3

2

7

14,1

12

6

8

9,5

1666

1323

1617

1470

13,0-13,8

12,8-13,3

13,5-13,8

12,0-13,0

87,0

90,5

89,0

91,0


С учетом отмеченных свойств, сплавы ТТК рекомендуют для тяжелой обработки, резания труднообрабатываемых материалов при значительном термомеханическом нагружении инструмента, а также операций прерывистого резания, особенно фрезерования, отличающихся переменным сечением среза и циклическими термомеханическими нагрузками на режущую часть инструмента.

Наибольшей хрупкой прочностью среди сплавов группы ТТК обладает сплав ТТ7К12, который рекомендуют для обработки стали в особо неблагоприятных условиях (прерывистое точение, строгание, черновое фрезерование). Применение инструмента из сплава ТТ7К12 взамен быстрорежущего инструмента позволяет повысить скорость резания в 1,5-2,0 раза.

Для операций фрезерования рекомендуется сплав марки ТТ20К9 (для обработки стали).

Для чистового и получистового точения, растачивания и фрезерования серого и ковкого чугуна, цветных металлов, непрерывного точения высокопрочных, коррозионностойких сталей, в том числе и термообработанных, а также титановых сплавов, предназначен сплав ТТ8К6.

Черновое, получерновое точение и фрезерование высоколегированных, нержавеющих и жаропрочных сталей и некоторых сплавов успешно осуществляется инструментом из сплава марки ТТ10К8-Б.

К группе танталсодержащих сплавов следует отнести и так называемые сплавы МС, выпуск которых освоен по лицензии, закупленной у фирмы “Sandvik Coromant” (Швеция) (табл. 10).


Таблица 10. Основные свойства сплавов группы “МС” (ТУ 48-19-308-80)


Марка сплава

Сплав-аналог (ГОСТ3882-74)

Свойства

,

МПа

,

г/см3

Твердость, НV30

Коэрцитив-ная сила, КА/м

МС111

Т15К6

1150

10,22-10,38

1525-1675

8,7-11,9

МС121

Т14К8

1200

11,60-11,79

1475-1625

7,2-9,5

МС131

Т5К10

1400

11,35-11,51

1430-1570

8,0-10,4

МС137

Т14К8, ТТ20К9

1400

11,68-11,85

1485-1635

13,5-15,2

МС146

ТТ7К12

1800

13,04-14,60

1320-1460

10,2-15,2

МС211

ВК6-М

1500

14,70-14,86

1590-1680

15,9-23,6

МС221

ТТ10К8Б

1400

13,81-13,97

1530-1630

10,3-13,3

МС241

ВК8

2000

14,15-14,25

1175-1295

9,4-11,2

МС301

ВК3-М

1150

14,95-15,11

1760-1940

20,6-23,6

МС306

ВК6-ОМ

1250

14,74-14,94

1665-1835

19,8-23,2

МС312

ВК6-М

1300

12,79-12,95

1700-1940

15,9-23,2

МС318

ВК6, Т8К7

1500

12,80-12,96

1575-1725

15,2-20,6

МС321

ВК6

1350

14,64-14,86

1450-1600

13,4-15,2

МС313

ВК6-М

1300

14,74-14,94

1505-1655

13,4-17,3


Сплав марок МС101, МС111, МС121, МС131 и МС146 предназначены для обработки стали и стального литья в различных условиях, сплавы МС211, МС221 и МС241 – для резания труднообрабатываемых материалов, а сплавы марок МС301, МС306, МС312, МС313 и МС321 – для обработки чугуна и цветных металлов. Сплавы марки МС137 и МС318 предназначены для фрезерования стали и чугуна.

Исследования режущих свойств сплавов МС показали их высокую надежность по сравнению со стандартными сплавами, что связано с повышенной стабильностью их физико-механических характеристик. Поэтому более высокая стоимость (на 40-60%) сплавов МС по сравнению со стандартными сплавами вполне оправдана высокой стабильностью режущих свойств и эксплуатационной надежностью инструмента, оснащенного пластинами МС.

Безвольфрамовые твердые сплавы

В связи с высокой дефицитностью основных компонентных составляющих твердого сплава и, прежде всего, W и Со, в развитых странах мира и СНГ развернуты широкие изыскания по разработке экономно-легированных твердых сплавов обычно не содержащих или содержащих в небольших количествах вольфрама, такие сплавы получили наименование безвольфрамовые (БВТС ). Перспективным направлением разработки БВТС оказалось создание сплавов на основе карбидов или карбидонитрпидов титана с никель-молибденовой связкой.

Сплавы отличаются высокой твердостью, окалиностойкостью, имеют низкий коэффициент трения стали и пониженную склонность к адгезионному взаимодействию, что уменьшает износ инструмента, особенно по передней поверхности, позволяет получить при обработке сталей низкую шероховатость обработанной поверхности и высокую размерную точность. Вместе с тем, БВТС в сравнении со стандартными вольфрамосодержащими сплавами имеют более низкий модуль упругости, меньшую теплопроводность и ударную вязкость, поэтому они хуже сопротивляются ударным и тепловым нагрузкам, упругим и пластическим деформациям, имеют пониженную жаропрочность, более интенсивно разупрочняются при повышенных температурах.

Указанные свойства определяют и области рационального применения БВТС при обработке материалов резанием. В настоящее время БВТС рекомендуется использовать, главным образом, для чистовой и получистовой обработке (точение, фрезерование) углеродистых и легированных сталей с высокой скоростью резания и относительно небольшим сечением среза взамен титановольфрамовых сплавов.

Эффективно применение БВТС, главным образом, в виде сменных многогранных пластин, так как при напайке и заточке из-за низкой теплопроводности возможно появление внутренних напряжений и, как следствие, трещин на пластинах, а также снижение их эксплуатационной стойкости.

Физико-механические характеристики некоторых марок БВТС представлены в таблице 11.

С учетом относительно низких значений теплостойкости и пластической прочности БВТС проведены исследовательские работы по совершенствованию их свойств за счет упрочнения связки или карбидонитридной фазы. Результатом таких разработок стало появление новых марок БВТС с улучшенными свойствами по хрупкой и пластической прочности. Примером совершенствования БВТС могут служить сплавы ЛЦК20, карбидонитридная фаза которых легирована цирконием, сплавы ТВ4, ЦТУ и НТН30, связки которых имеют заметно высокую прочность и теплостойкость за счет легирования, соответственно, карбидом вольфрама, вольфрамом и карбидами титана и ниобия. Новая группа сплавов этого типа имеет повышенную эксплуатационную надежность и расширенную область применения. В частности, сплавы ТВ4, НТН30 рекомендуют для черновой обработки стали при фрезеровании и точении.


Таблица 11. Состав и основные свойства промышленных марок БВТС

Марка сплава

Содержание основных компонентов в % (по массе)

Физико-механические характеристики

,

МПа

Плотность, г/см3

НRA, не менее

TiC

TiCN

Ni

Mo










ТН20

КНТ16

79

-

-

74

15,0

19,5

6,0

6,5

1050

1200

5,5-6,0

5,5-6,0

90,0

89,0


Эффективность применения БВТС зависит от правильности подготовки инструмента, выбора режимов резания и условий обработки, включая обрабатываемый материал. Например, стандартный БВТС марок ТН-20, КНТ-16 не рекомендуется при обработке труднообрабатываемых материалов, твердых чугунов и закаленных сталей.

Состав и некоторые свойства БВТС повышенной прочности показаны в табл. 12.

Опыт внедрения существующих БВТС и прогнозируемое расширение их применения в связи с появлением новых более совершенных марок показывает, что при выпуске требуемой номенклатуры изделий и обеспечении стабильного уровня качественных показателей, около 25-30% объема выпуска фольфрамосодержащих сплавов для обработки стали может быть заменено на безвольфрамовые.


Таблица 12. Характеристики БВТС повышенной прочности


Марка

Состав, %

,

МПа

,

г/см3

НRA, не менее

TiCN

TiC

NbC

Ni

Mo

НТН30 (ТУ 48-4206-331-88)

ЦТУ (ТУ 48-4206-365-89)

ТВ4 (ТУ 48-19-429-87)



56


56,3

52

10


9


10

19,5


23

10,5


12 МоС


8,7

1323


1274


1323

6,0-6,5


6,2-6,8


6,3-6,7

89,5


89,5


89,0


Области применения твердых сплавов

При анализе областей применения марок твердых сплавов, обладающих различными свойствами, обычно используют рекомендации международной

организации стандартов (ISO), которые предусматривают использование сплавов с учетом уровня основных свойств каждой марки (ГОСТ 3882-74) в зависимости от условия обработки (t, S, V, характер операции, обрабатываемый материал, тип формируемой стружки и т.п.). В соответствии с этими рекомендациями твердые сплавы классифицируют на три основные группы резания Р, М, К, которые, в свою очередь, делятся на подгруппы применения в зависимости от условий обработки (табл. 13).


Таблица 13. Классификация современных твердых сплавов по

стандарту ИСО 513

Основные группы резания


Группы применения


Марка твердого сплава по ГОСТ 3882-74

Обоз-наче-ние

Цвет марки-ровки

Обоз-наче-ние

Обрабатываемый материал и тип стружки

Вид обработки и условия применения


1

2

3

4

5

6

Р



Синий





Р01



Сталь, стальное литье, при обработке которых формируется сливная стружка

Чистовое точение, растачивание, развертывание, высокоточное резание без вибраций


Т30К4

МС101

ТН20



Р10

Точение, точение по копиру, нарезание резьбы, фрезерование, рассверливание, растачивание


Т15К6

МС111

КНТ16

ЦТУ



Р20


Сталь, стальное литье, ковкий чугун, цветные металлы, при обработке которых формируется сливная стружка


Точение, фрезерование


Т14К8

МС121

КНТ16

ЦТУ

КТН30



Р25



Сталь нелегированная, низко- и среднелегированная

Фрезерование в т.ч. глубоких пазов, обработка при предъявлении требований к повышенной сопротивляемости сплава тепловым и механическим нагрузкам



ТТ20К9

МС137

ТВ4


Р30




Черновое точение, фрезерование и строгание

Т5К10

МС131

ТВ4








Р40

Р50


Сталь, стальное литье с включениями песка и раковинами

Для работ в неблагоприятных и особо неблагоприятных условиях*


ТТ7К12

МС146

М

Желтый



М05

М10

Сталь, стальное литье, высоколегированные аустенитные, жаропрочные труднообрабатываемые стали и сплавы, серый, ковкий и легированный чугуны



Точение, развертывание



ВК6-ОМ

ВК6-М

ТТ8К6

ВК6-ОМ


К


Красный



М20

Стальное литье, аустенитные, марганцовистые, жаропрочные, труднообрабатываемые стали и сплавы



Точение, фрезерование



ВК6-ВС

ТТ10К8-Б

МС221



М30


Сплавы, серый и ковкий чугуны, дающие как сливную, так и стружку надлома

Точение, фрезерование, строгание. Условия резания неблагоприятные*

ВК10-ОМ

ВК10-ХОМ

ВРК15

ВК8



М40

Низкоуглеродистая сталь с низкой прочностью, автоматная сталь и другие материалы, дающие как сливную, так и стружку надлома


Точение, фасонное точение, отрезка, преимущественно на станках-автоматах



ТТ7К12

МС146



К01

Серый чугун высокой твердости, алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния. Закаленная сталь, абразивные пластмассы, керамика, дающие стружку надлома



Чистовое точение, растачивание, фрезерование и шабрение



ВК3

ВК3-М

МС301









К05

Легированные и отбеленные чугуны, закаленные стали, нержавеющие высокопрочные и жаропрочные стали и сплавы, дающие стружку надлома


Чистовое и получистовое точение, растачивание, развертывание, нарезание резьбы



ВК6-ОМ

ТТ8К6

МС306



К10



Серый и ковкий чугуны преимущественно повышенной твердости, закаленная

сталь, алюминиевые и медные сплавы, пластмассы, стекло, керамика, дающие стружку надлома



Точение, растачивание, фрезерование, сверление



Т8К6

ВК6-М

ВК6-ОМ

МС312

МС313



К10


К20

Серый и ковкий чугуны преимущественно повышенной твердости, закаленная

сталь, алюминиевые и медные сплавы, пластмассы, стекло, керамика, дающие стружку надлома


Серый чугун, цветные металлы, сильно абразивная прессованная древесина, пластмассы



Точение, растачивание, фрезерование, сверление


Точение, фрезерование, строгание, сверление



Т8К6

ВК6-М

ВК6-ОМ

МС312

МС313


ВК6

МС321

ЦТУ





















К30


Серый чугун низкой твердости и прочности, сталь низкой прочности, древесина, цветные металлы, пластмассы

Точение, фрезерование, строгание, сверление. Работа в неблагоприятных условиях*


ВК8

ВК10-ХОМ

МС321

К40

Цветные металлы, древесина, пластмассы, дающие стружку надлома

Точение, фрезерование, строгание

ВК8

МС347
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12



Скачать файл (5012.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru