Инструментальные материалы, режущий инструмент

Производительность процесса механической обработки резанием прежде всего зависит от режимов резания, и в частности, скорости. Увеличение скорости лимитируется возможностями инструмента. Основные требования к материалам, применяемым для изготовления инструмента:

1.Высокая износостойкость.

2.Красностойкость- способность сохранения свойства при высоких температурах.

3.Прочность (ударная вязкость, σвизгиб, σсжатия)

4. Сопротивление тепловому удару- характеризует максимальный перепад температур, при котором часть инструмента сохраняет свою целостность.

Определяется коэффициентом

где

σв-предел прочности при растяжении, [кг/м2]

λ0-коэффициент теплопроводности, [Вт*С®/м]
αл-коэффициент линейного расширения [I/град]

Е-модуль упругости, [кгс/мм2]

Виды инструментальных материалов

1. Углеродистые и легированные инструментальные стали: У10А, У12А, 9ХС, ХВГ (у последних двух красностойкость до 250-280 ° С)

Из данных сталей изготовляют ручные слесарные инструменты (развертки, метчики, плашки, шаберы, напильники, зубила) и машинные инструменты, работающими с низкими скоростями резания (сверла малого диаметра, зенкеры, концевые фрезы).

2. Быстрорежущие инструментальные стали и сплавы (с добавлением карбидообразующих элементов: W, V, Mo, Co)

PI-18% W остальное Fe- сейчас редко

P6M5- 6% W, 5% Mo

P9K5- 9% W, 5% Co

Красностойкость до 630° С

Из быстрорежущих сталей изготавливается инструмент для изготовления отверстий: сверла, метчики, плашки, фрезы.

Несмотря на высокую степень легирования, механические свойства быстрорежущих сталей (σв, σи, σст, твердость) почти одинаковы с параметрами инструментальных сплавов. По пределу прочности на изгиб они немного превышают значения других инструментальных сталей. В термообработанном состоянии эти стали имеют высокую упруость и вязкость.

3. Твердые сплавы:

а) вольфрамосодержащие

б)безвольфрамосодержащие

В состав твердых сплавов входят W, TI, Ta, Co, C

W, Ti, Ta входят в состав твердых сплавов в химически связанном состоянии, образуя твердые и температуростойкие карбиды вольфрама, Ti и Ta. Углерод присутствует в связанном виде. Кобальт входит в несвязанном, металлическом виде, размещаясь между порошкообразными частицами карбидов и связывая их в связывая их в единый монолит. Содержание Со определяет мех. прочность твердого сплава. Увеличение Со уменьшает хрупкость, но вместе с этим уменьшает твердость и износостойкость. Изготавливают тв. сплавы смешением порошка в формах при температуре 1500-2000°.

W-содержащие твердые сплавы делятся на однокарбидные:

-спекаются из карбида W со связкой Со.

ВК2, ВК6, ВК8 – (2, 6, 8) % Со, остальное карбид W. Это группа ВК.

-двухкарбидные W, Ti - сплавы

TI 5K6, T5KIO- 15%TiC, 6 % Co, остальное WC. Это сплавы ТК

-Трехкарбидные W, TI, Ta – сплавы. Это группа ТТК.

ТТ7К12, содержащие карбидов Ti и Ta. Указывается суммарное, т.е. 7% TiC и ТаС (4% TiC, 3 % TaC) 12 % Co, WC- 81%.

Двухкарбидные твердые сплавы группы ТК имеют более высокую красностойкость, чем сплавы ВК и следовательно допускают боле высокую скорость резания. Их широко применяют при обработке сталей. Наиболее распространен сплав Т15К6, сочетающий красностойкость и износостойкость с удовлетворительной прочностью. Наиболее прочным и стоек. Т° красностойкости твердых сплавов приблизительно 1000°С.

При обработке легированных сталей повышенной прочности жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, титановых сплавов приходится переходить на более прочные, но менее красностойкие и производительные (по скорости) сплавы группы ВК. Это объясняется тем, что в большинстве этих сплавов находится в качестве легирующего элемента Ti и инструмент будет обладать повышенной адгезией.

Твердые сплавы группы ВК используют при обработке конструкционных материалов в условиях малой жесткости оборудования, с интенсивными вибрациями, при прерывистом и ударном резании- фрезеровании. Из твердых сплавов изготавливают режущие пластинки различной номенклатуры для оснащения сверл большого диаметра, резцов, разверток, зенкеров, резьбонарезных инструментов. Мелкоразмерные сверла, зенкеры, фрезы целиком изготавливают из твердых сплавов.

Недостатки твердый сплавов:

1. Нестабильность режущих свойств, обусловленная составом и процессом изготовления. Разброс механических свойств может достигать до 2-х раз.

2. Низкая вязкость (сплавы боятся ударных нагрузок).

Пути повышения стойкости режущего инструмента

Для быстрорежущих сталей

1. Цианирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя рабочей части инструмента углеродом и азотом, что увеличивает твердость до 65..68 HRC. Интсрумент при этом помещают в растворы, содержащие цианистые соли: NaCl, KCN

2. Сульфидирование: введение в поверхностные слои сернистых соединений, что снижает коэффициент трения сходящей стружки, уменьшаются силы резания.

3. Нанесение на рабочую часть инструмента частиц твердого сплава: WC

4. Получение высоколегированных быстрорежущих сталей методом порошковой металлургии. Р6М5К5 МП- порошковый инструмент.

В отдельных случаях инструмент из быстрорежущих сталей, полученный порошковой металлургией близок по свойствам твердым сплавам.

Дополнительные пути повышения режущей способности

1. Обработка холодом (жидким азотом)

2. Хромирование

3. Радиактивное γ –облучение

4. Упрочнение светолучевой обработкой лучом лазера

Повышение износостойкости твердых сплавов

1. Изменение величины зерна «δ».

Различают 4 типа структур:

-крупнозернистая δ =3-5 мкм- ВК8Б

-нормальная структура δ =1.5-2 мкм – ВК8, ВК6, ВК2

-мелкозернистая структура δ =0.5-1.5 мкм- ВК5М, ВК10М

-особомелкозернистая структура δ ≤1 мкм- ВК50М

2. Напылением или осаждением из газовой фазы на вязкую основу (ВК6, ВК8) пленок износостойких карбидов или нитридов (TiC, MoC, ZnN) толщиной 5-8 мкм в отдельных случаях до 15 мкм в течении 2-2.5 часов.

3. Есть экспериментальные работы- механическая тренировка перед тяжелой работой на тяжелых режимах.

4. Пропускание через зону обработки J, ультразвука

Безвольфрамосодержащие твердые сплавы

Появление этих сплавов обусловлено дефицитом вольфрама. Из всех соединений на основе которых возможна разработка безвольфрамовых твердых сплавов были выбраны как наиболее технологичные и недефицитные материалы-карбид и карбонитрид титана.

1-ая группа – (TiNb) C-Ni-Mo –сплавы ТМ1, ТМ3

2-ая группа – сплавы ТН20- TiC- Ni- Mo

3-ая группа- сплавы КНТ- Ti (CN)-Ni-Mo- КНТ16, КНТ20, КНТ30

Цементирующей связкой является Ni с добавкой Mo. По физико-механическим свойствам эти сплавы уступают вольфрамосодержащим.

В связи с развитием производства твердых сплавов, увеличением номенклатуры их названий, Международная организация по стандартизации (ИСО) разработала систему обозначения твердых сплавов в зависимости от обрабатываемых материалов, которые подразделяются, в свою очередь, на подгруппы по условиям обработки.

Например: сплавы для обработки резанием материалов, дающих сливную стружку (стальной прокат, стальное литье, ковкий чугун) обозначаются буквой «Р». Материалы, дающие дробленую стружку обозначаются буквой «К» (серый чугун, цветные металлы и их сплавы, неметаллические материалы).

Универсальные сплавы- «М»- обрабатывают чугун и сталь.

Внутри каждой группы обозначаются подгруппы по условиям эксплуатации –обозначение двузначной цифрой, которую прибавляют к основной букве, например РО1, М20, К30. Возрастание цифр говорит о повышении прочности и снижении твердости, износостойкости и скорости резания сплавов внутри данной группы.

Минералокерамика

Основой минералокерамики является корунд Al2O3 с величиной зерна δ=2-3 мкм. Получают их в электропечах при высокой температуре и иногода называют электрокорундами. Чистый корунд белого цвета, а примеси предают цветовые оттенки. В СССР выпускаются пластинки ЦМ332 (Al2O3+ стекло) твердость HRA – 92-94, малая теплопроводность, высокая хрупкость, низкая ударная вязкость, плохая сопротивляемость циклическому изменению температуры. Σизг=40 кгс/мм2 приблизительно в 3 раза меньше чем у твердых сплавов.

Кросностойкость приблизительно равно 1500 °, что позволяет применять ее при обработке металлов со скоростью 300-600 м/мин. Применяется в основном для чистовой обработки при жесткой системе СПИД.

Минералокерамика с металлической связкой- керметы.

Состоят из Al2O3 и карбидов W,Mo,Ti до 40%. По свойствам в 2 раза больше предел σи, чем минералокерамика. Красностойкость приблизительно 1300°. Выпускаются в виде многогранных и круглых пластин ВОК-60, ВОК-63, В3. Твердость ВОК60 и ЦМ 332 приблизительно равны.

Синтетические сверхтвердые материалы.

Алмазы широко применяются в качестве материала для режущей части инструмента. Обладают высокой твердостью, высокая теплопроводность в 1.8-6.6 раза больше чем у твердых сплавов. Однородность и плотность структуры алмаза позволяют получать острые режущие кромки- малые радиусы скругления. Алмаз-аллотропная модификация углерода, анизотропен по физико-механическим свойствам. Затачивать следует по мягким направлениям, а обрабатывать материал твердыми напрвлениям. Коэффициент линейного расширения алмаза в 2 раза меньше, чем у твердого сплава-это важно для обработки точных деталей. Применяется для изготовления шлифовальных кругов, хонинговальных брусков, резцов для точного точения и растачивания.
Недостатки: Высокая стоимость, хрупкость, чувствительность к вибрациям

Черный алмаз – карбанадо - из-за примесей (Al, Si, Ca, Fe)

Синтетические сверхтвердые материалы различают по структуре. Состоящие из крупных зерен- 40-50 мкм- балласы. Мелкозернистые- карбонадо – δ=5 кмк. Баллас применяется при точении цветных сплавов с повышенным содержанием Si, стеклопластиков, пластмасс. Износостойкость алмазов баллас при точении стеклопластинов в 70-80 раз выше, чем у твердых сплавов ВК2, ВК3М.

Кубический нитрид бора (КНБ)- в природе неизвестен. Синтезирован по технологии, аналогично производству синтетическому алмаза.

Превосходит алмаз на основе КНБ-эльбор-композит 01.

Следующая модификация –гексанит Р-композит 10.

Белбор- композит 02

Исмит

Кубонит

Композит 09 ПК4Б, АСПК

Спеканием можно получить поликристаллы большого размера-эти материалы называют композит 0.5

Композиты 01,02, исмит 1, исмит 2 изготовляют в виде цилиндрических столбиков диаметром 4-5 мм и высотой 4-5 мм. Применяются для чистового точения закаленных сталей HRC 50-70,чугунов и твердых сплавов.

Композит 01 может работать в условиях ударных нагрузок.

Разработан гексанит РЛ- армирован волокнами сапфировых усов –стойкость его еще выше.

Используются при обработке твердосплавных деталей, штампов, прессформ на с танках с ЧПУ, точное чистовое точение и фрезерование деталей из чугуна и закаленных сталей.

Композиционные СТМ- смеси порошкообразных Ме и СТМ.

а) альметы- порошки алмаза и медно-титановая связка, Cu- повышает жидкотекучесть, Ti- прочность и способствует образованию карбидов.

б) нибориты- смесь КНБ+Со + (Cu+Ti) порошок

в) славутич- порошок ВК6 и порошок синтетического алмаза

Достоинства:

- Получение их обладает высокой производительностью,

- Практически нет ограничений по длине режущих кромок,

- Возможность переточки алмазным инструментом, хотя рекомендуется эл. химическая заточка

Изготавливаемые режущие пластины закрепляются на инструменте пайкой, склеиванием и механическим креплением.

Наиболее перспективно механическое закрепление неперетачиваемых многогранных пластин так как при этом гарантируется их высокое качество, сохраняются первоначальные физико-механические свойства, обеспечивается возврат твердого сплава, повышается культура производства-отказ от участков заточки.

Дата добавления: 2015-10-28