Станки и инструменты О компании
Бизнес
Статьи
Контакты
Заказать
Станки и инструменты Станки и инструменты  
Станки и инструменты  
Каталог
Металлорежущее оборудование
Кузнечно-прессовое и раскройно-заготовительное оборудование
Чешские станки "Прома"
Оснастка и приспособления к станкам
Металлообработка

Материалы для режущих инструментов

Требования к материалам режущих инструментов.

Режущая часть (режущий клан) инструментов при работе подвергается истиранию, тепловым воздействиям и силовым нагрузкам, осуществляя непрерывное деформирование срезаемого слоя. Эти очень тяжелые условия работы определяют требования к материалам режущей части. Пригодность подобных материалов определяется их твердостью, теплостойкостью, механической прочностью, износостойкостью, технологичностью и стоимостью.

Понятно, что внедрение одного материалу (клина) в другой (заготовку) возможно лишь при преобладающей твердости первого. Согласно техническим характеристикам алмаз и кубический нитрид бора имеют наиболее высокую твердость, а твердые сплавы и минералокерамика значительно тверже закаленных инструментальных сталей. Твердость большинства конструкционных материалов ниже твердости соответствующего инструмента. Однако под воздействием высокой температуры при резании твердость многих материалов снижается и, в частности, твердость инструмента может оказаться недостаточной для осуществления резания. Свойство материала сохранять необходимую твердость при высокой температуре называется теплостойкостью, которая характеризуется критической температурой. Инструмент с температурой выше критической эффективно работать не будет. Очевидно, что эта температура определяет допустимую скорость резания. Важность механической прочности для инструментальных материалов обусловлена особенностью нагружения режущих зубьев: консольным расположением (закреплением) зуба, возможностью ударных нагрузок, работой режущих элементов на изгиб, растяжение и сжатие. Поэтому пределы прочности на изгиб и сжатие и ударная вязкость являются основными показателями прочности инструментальных материалов.

Способность противостоять изнашиванию при трении также является важным свойством материала инструмента, так как при работе он подвергается истиранию в местах контакта с заготовкой. Износостойкость характеризуется работой трения, отнесенной к величине стертой массы материала.

Технологичность инструментального материала, т.е. степень его соответствия технологии термической обработки, обработки давлением, механической обработки и др., является свойством, определяющим возможность использования его в конструкции режущего инструмента. Так, материалы с плохой шлифуемостыо будут неудобны при изготовлении и переточке инструмента; слишком узкий температурный интервал нагрева материала при термообработке может привести к бракуи т. п. Технологичность материала может оцениваться и такими его свойствами, как свариваемость, припаиваемость и др.

Понятно, что материал режущих инструментов не должен состоять лишь из дорогих и дефицитных элементов, поскольку это будет сказываться на его стоимости и широте применения.

Инструментальные стали. Стали применяют достаточно широко для изготовления корпусной и крепежно-присоединителыюй частей режущих инструментов, а во многих случаях и их режущей части. Если инструмент работает при низких скоростях резания и не нагревается свыше 200-220 °С, то его можно изготовлять из углеродистой инструментальной стали марок У7А, У8А, У10А, У13А и др. Обычно режущий инструмент для таких слесарных работ, как опиливание, шабрение, рубка, нарезание резьбы (т. е. напильники, шаберы, зубила, метчики, плашки и др.), делается из этих сталей и после термической обработки может иметь высокую твердость (до HRC 64). Закалка (охлаждение) сталей ведется в воде. Однако и в этом случае' ввиду высокой критической скорости закалки эти стали прокаливаются на небольшую глубину, и сердцевина инструмента остается вязкой. Для снятия внутренних напряжений применяют отпуск при температуре 120-150 °С. Химический состав и марки инструментальных углеродистых сталей приведены в ГОСТ 1435-74.

Для повышения тех или иных свойств углеродистых инструментальных сталей в их состав вводят так называемые легирующие элементы, обозначаемые соответствующими буквами в марках стали. Так, никель (Н) после соответствующей термообработки стали сообщает ей тонкую структуру, определяющую высокую пластичность и вязкость, увеличивает прокаливаемость. Марганец (Г) увеличивает прокаливаемость и прочность стали, ускоряет процесс цементации и повышает износостойкость. Хром (X) упрочняет сталь в результате его растворения в железной основе и образования карбидов. Вольфрам (В) повышает твердость путем образования сложных карбидов и сохраняет твердость сплава при отпуске, уменьшает его склонность к росту зерна при нагреве, повышает износостойкость и теплостойкость. Ванадий (Ф) резко уменьшает рост зерна при нагреве, увеличивает устойчивость против снижения твердости при отпуске, улучшает свариваемость, но ухудшает шлифуемость материала. Молибден (М) уменьшает склонность стали к отпускной хрупкости, повышает прокаливаемость, придает повышенную прочность, пластичность и вязкость. Кремний (С) улучшает прокаливаемость стали, снижает ее чувствительность к перегреву, равномернее распределяет карбиды.

Марки и химический состав инструментальных легированных сталей определены ГОСТ 5950-73. Теплостойкость их не превышает 250-300 °С, что позволяет несколько увеличить скорость резания инструментами из этих материалов. Низколегированные стали X, В2Ф, 13Х и др. применяют для слесарных инструментов (плашек, разверток, метчиков, шаберов, зубил и др.). Высоколегированные стали ХВСГ, 9ХС, ХВГ и др. служат для изготовления разверток, фасонных резцов, сверл малого диаметра, концевых фрез, протяжек, метчиков и других инструментов, работающих при скоростях резания до 0,33 м/с.

Особую группу составляют быстрорежущие стали, имеющие содержание вольфрама от 6 до 18%, ГОСТ 19265 - 73 предусматривает более десяти марок этих сталей и их химический состав. Марки образуются в зависимости от содержания кобальта (К), молибдена (М), ванадия (Ф)и вольфрама (Р), причем все эти стали имеют 3,0-4,6% хрома и 0,7-1,3% углерода. Стали Р18, Р12, Р9 относятся к вольфрамовым быстрорежущим, РбМЗ и Р6М5 - к вольфрамомолибденовым, Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5 - к вольфрамованадиевым, Р9К5 и Р9К10 - к вольфрамокобальтовым, Р18К5Ф2, Р10К5Ф5 и др.- к сложнолегированным быстрорежущим.

Быстрорежущие стали отличаются высокой теплостойкостью, доходящей у лучших марок до 650°С. Они пригодны для режущей части инструментов, работающих при скоростях резания 0,8 - 1,0 м/с. Так, из стали нормальной производительности Р9, Р18, Р6М5 делают режущую часть автоматных и фасонных резцов, сверл, зенкеров, фрез, разверток, зуборезного инструмента, а из быстрорежущих сталей повышенной производительности Р18Ф2, Р9Ф5, Р14Ф4-И др. - аналогичные инструменты для обработки высокопрочных и труднообрабатываемых материалов. Ввиду дефицитности вольфрама инструмент из этих сталей делают во многих случаях составным, т. е. режущую часть из быстрорежущей стали, а корпусную или крепежно-присоединптельную - из конструкционной стали. Инструмент после термообработки имеет высокую твердость режущей части (до HR С 64 и выше).

Быстрорежущие стали появились почти сто лет назад. В СССР в качестве основных использовались марки РФ1 или РФ2, которые затем были заменены приведенными выше марками сталей, имеющими улучшенные качества.

Создаются новые марки быстрорежущих сталей с теплостойкостью более 700 СС, а также марки с малым содержанием вольфрама.

Твердые сплавы. Отечественная промышленность выпускает свыше 30марок твердых сплавов (ГОСТ 3882 - 74), в том числе около 20 марок для изготовления режущих частей инструментов. Эти материалы представляют собой сплавы карбидов тугоплавких металлов с кобальтом, являющимся своеобразной связкой. Их получают методом прессования шихты и последующего спекания полученных элементов режущего инструмента (пластин, зубьев, коронок и т. п.).

Металлокерамические вольфрамовые твердые сплавы разделяют на одно-, двух- и трех карбидные. Однокарбидные сплавы производятся на базе карбида вольфрама и называются вольфрамокобальтовыми (группа ВК). В марках ВК2, ВК4, ВК6, ВК8 цифра показывает процентное содержание кобальта (остальное - карбиды вольфрама). Сплавы этой группы наиболее прочные. С увеличением содержания кобальта повышается сопротивление сплава ударным нагрузкам, но уменьшается его износостойкость. Применяются для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окисления карбидов, т.е. с температурой 950-1000°С.

Двухкарбидные твердые сплавы помимо компонентов группы ВК содержат карбиды титана н называются титановольфрамокобалтовые (группа ТВК или ТК). В марках Т5КЮ, Т14К8, Т15К6, T3QK4 цифры после буквы Т показывают процентное содержание карбидов титана, после К - содержание металлического кобальта (остальное - карбиды вольфрама). Сплавы этой группы более износостойки и менее прочны, чем сплавы группы ВК. Применяются при обработке углеродистых и легированных Конструкционных сталей точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окисления карбидов, т. е. температурой 1100 -1150 °С.

Трехкарбидные твердые сплавы по сравнению со сплавами группы ТВК включают еще и карбиды тантала и называются титанотанталовольфрамокобальтовыми (группа ТТК). В марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифра перед К показывает суммарное процентное содержание карбидов титана и тантала, после К - содержание кобальта (остальное - карбиды вольфрама). Сплавы этой группы имеют высокую прочность и применяются при обработке жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов.

В нашей стране и за рубежом ведутся работы по использованию особо мелкого зерна карбидов вольфрама в производстве вольфрамокобальтовых и титановольфрамокобальтовых сплавов. Особомелкозериистая структура (ОМ) способствует повышению износостойкости материала без существенного снижения его прочности. Сплавы ВК6-ОМ, ВК10-ОМ, ВК15-ОМ имеют основную массу зерен размером менее 1 мкм. ГОСТ 3882 - 74 предусматривает применение мелкозернистых (М) вольфрамокобальтовых сплавов ВКЗ-М, ВК6-М и др.

Имеются безвольфрамовые твердые сплавы ТМ1, ТМЗ, ТН-30, КНТ-16 и др. на основе карбидов или других соединений титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов. Например, сплав TM1 имеет износостойкость при обработке стали 50 в 2 раза выше, чем сплавТЗ0К4, сплав "Монитикар" на базе тех же компонентов имеет значительные перспективы применения.

Каждая марка твердого сплава может эффективно применяться лишь в конкретных условиях. Наша промышленность производит твердые сплавы для всех условий обработки. В табл. 2 приведены некоторые твердые сплавы, удовлетворяющие областям применения, разработанным международной организацией по стандартизации (ИСО). Сплавы группы Р предназначены для обработки материалов, дающих сливную стружку (в основном сталей), сплавы группы М - для обработки нержавеющих, жаропрочных сталей и титановых сплавов. Сплавы группы К применяют при обработке малопластичных материалов, цветных сплавов, пластмасс, древесины, чугуна.

Применение твердых сплавов расширяется и составляет для резцов 95%, для фрез 4,5%, для осевого инструмента около 1 % общего выпуска этих инструментов. В ряде случаев режущие пластины сплавов покрывают тончайшим (5 - 10 мкм) слоем износостойкого материала (карбида, нитрида к карбонитрида титана и др.), что повышает стойкость пластин в 2-3 раза.

Минералокерамика, композиты и алмаз. Поиски инструментальных материалов, не содержащих дефицитных элементов, привели к созданию в начале 50-х гг. минералокерамических режущих пластин на основе окиси алюминия. МХТИ им. Менделеева и ВНИИАШ были разработаны,а ВНИИ и ЦНИИТмашем испытаны минералокерамики марок ЦВ-14и ЦМ-332. Материал ЦМ-332 широко применялся для чистовых и финишных операций при обработке стальных и чугунных заготовок. Улучшение свойств минералокерамики достигается уменьшением размеров зерен структуры и добавлением карбидов тугоплавких материалов (вольфрама, титана), связующих элементов (никеля и др.).

ВНИИТС создана минералокерамика оксидно-карбидного типа-марки D3. Ее прочность при изгибе в 2,5 раза выше, чем у ТЦМ-ЗТ2 при той же твердости, теплостойкость около 1200 °С, что позволяет вести обработку при скорости резания более 25 м/с. Также освоен выпуск минералокерамики марок ВОК-60, ВОК-63 и др. Перспективными материалами для изготовления режущей части резцов являются поликристаллы кубического нитрида бора, известные под названием эльбор-Р, композит, исмит и гексанит-Р. При финишной обработке таким инструментом заготовок из чугуна и закаленных сталей высокой твердости достигается шероховатость поверхности, соответствующая шлифованию. Резцы и фрезы имеют режущие элементы из поликристаллов диаметром до 4 мм и длиной до 6 мм.

Для чистового точения деталей из цветных металлов и сплавов, пластмасс и других неметаллических материалов применяют резцы из природных алмазов массой 0,21-0,85 карата, закрепляемых механическим способом или напайкой в переходных державках диаметром до 20 мм и длиной до 50 мм. Для обработки твердых сплавов, высококремнистых материалов, стеклопластиков и других пластмасс применяют синтетические алмазы типа карбонадо и баласс (марки АСПК и АСБ),. которые по своим свойствам соответствуют природным алмазам тех же сортов.

Шлифующие материалы. Для изготовления шлифовальных кругов, лент, паст, шкурок и т. п. применяют различные шлифующие (абразивные) и связующие их материалы. Абразивные (от латинскогоabrasio - соскабливание) круги для машиностроения изготовляют из синтетических материалов, так как естественные материалы не обладают постоянством свойств. Материалы на базе окиси алюминия и карбида кремния обозначаются цифрами: нормальный электрокорунд - 1, белый электрокорунд - 2, хромистый и титанистый электрокорунд - 3, монокорунд - 4, карбид кремния черный - 5, зеленый карбид кремния - 6. Маркировка абразивного материала включает еще одну цифру, а также буквы А или С, обозначающие соответственно электрокорунд или карбид кремния. Например, электрокорунды имеют маркировку 16А, 15А, 14А и др., 25А, 24А и др., 34А, ЗЗА и др., 45А, 44А и др. Карбиды же кремния маркируются так: 64С, 65С и др., 55С, 54С и др.

Электрокорунды изготовляют в дуговых печах восстановительной плавкой шихты, а карбиды кремния - в электрических печах сопротивления си лидированием частиц углерода парами кремниевой кислоты. После плавки получают различными способами шлифпорошки, шлифзерна и микропорошки, которые используют для изготовления различных инструментов.

В СССР в качестве шлифующих материалов применяются также, синтетические алмазы, которые выпускают в виде порошков пяти марок АС (алмаза синтетического): АСО, АСР, АСВ, АСК и АСС и в виде микропорошков двух марок - АСМ и АСЫ. Алмаз АСО применяют для паст и порошков, алмаз АСР, имеющий повышенную прочность, применяют для инструментов на керамической, и металлической связках. Высокопрочный синтетический алмаз АСВ применяют для инструментов на металлической связке, работающих при повышенных ударных нагрузках. В особо тяжелых условиях работы применяют алмаз АСК. Самая высокая прочность у алмаза АСС, используемого для инструментов, правящих шлифовальные круги. Кроме синтетических алмазов, для абразивной обработки используют эльбор-Л, кубонит, а также дробленые естественные алмазы типа карбонадо и баласс. Виды и характеристики шлифовальных инструментов приведены в гл. IX.

Абразивно-алмазные инструменты состоят из режущего материала, пор и связки. Различают связки керамические, органические, металлические и др. Для алмазных и эльборовых кругов применяют органические связки (Б1, Б2, БЗ, Б4, Б8. БШ и др.) на основе фенолформальдегидных смол с наполнителями в виде карбида бора, талька, резиновой муки и др. Металлические связки (М5, М52. МСЗ, МО4, МП2, ОМКЗ и др.) представляют собой композиции на основе меди, олова, железа, алюминия, никеля и других металлов с наполнителем из электрокорунда, карбида бора или кремния и т. п. Керамические связки для алмазных и эльборовых кругов (К1, К16, СЮ, СК и др.) имеют те же наполнители. Для полировальных кругов применяют связки, содержащие каучук. Абразивные круги в основном выполняют на керамической связке (КО. К1, КЗ, К5, К8 и др.), а также применяют бакелитовую (Б, Б1, Б2, БУ и др.), вулканитовую (В, Bl, B2, ВЗ), глифта левую (ГФ) и поливини и форма левую (ПФ) связки.

Керамическую связку получают в результате обжига кругов, формированных из специальной массы, в которую кроме абразивного материала входят измельченные смеси из огнеупорной глины, полевого шпата, талька и других материалов, добавляемые для повышения пластичности, формуемости и других нужных свойств массы. Выбор круга по абразивному или алмазному материалу, связке и другим характеристикам производится в зависимости от вида шлифования, материала заготовки и прочих факторов.

Ростовский станок

 

Назад

Контактная информация:
Адрес: 196105, Санкт-Петербург, пр. Ю. Гагарина, д. 1, оф. 538
Телефоны: (812) 454-94-37, (812) 923-10-31
e-mail: pbt-spb@yandex.ru
Rambler's Top100