Понятия о системе резания как о совокупности одновременно совершаемых взаимосвязанных процессов

ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ

РЕЗАНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Понятия о системе резания как о совокупности одновременно совершаемых взаимосвязанных процессов

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 (V_e).

Для определения углов рассматривают следующие плоскости:

1. Основная плоскость P_v – плоскость, проведенная через рассматриваемую точку режущей кромки перпендикулярно к направлению вектора скорости главного движения (V) (в ССК) или результирующего движения резания (V_e) (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 - P_VС, в кинематической - P_VК.

2. Плоскость резания P_n – плоскость, касательная к главной режущей кромке в рассматриваемой точке и перпендикулярная основной плоскости (соответственно - P_nи, P_nс, P_nк).

3. Главная секущая плоскость P_t - 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 P_t1 – плоскость, перпендикулярная проекции вспомогательной режущей кромки на основную плоскость (соответственно – Рτ1и, Рτ1с, Рτ1к).

5. Рабочая плоскость P_s – 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;

a­₁ – 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 g_и, g_с, g_к 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; l ₂ – направляющая часть, имеющая ленточки 5 и стружечные винтовые канавки и служит для направления сверл в отверстие; l ₃ – 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):

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

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

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

 

 

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.

 

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.

 

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 HRC_э), 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 НRС_э, предел прочности при изгибе 2,9-3,4 ГПа, ударную вязкость 2,7-4,8 Дж/м², теплостойкость 620-630^оС (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/см^3	Твердость	После закалки	Температура, ^оС	Тепло-стойкость, ^оС
После отжи-га, НВ	После закалки и отпус-ка, НRСэ	,МПа	10^5, Дж/м^2	Закал-ки	Отпус-ка
Р18	8,75			2,9-3,1	3,0
Р9	8,3			3,35	2,0
Р6М5; Р6АМ5	8,15			3,3-3,4	4,8
11Р3АМ3Ф2	7,9			2,9-3,1	4,5
Р6М5Ф3	8,15			-	4,0
Р12Ф3	8,39			3,0-3,1	2,7
Р9К5	8,25			2,5	0,7
Р6М5К5	8,15			3,0	2,75
Р9М4К8	8,3			2,5	2,6

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	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 НRC_э, теплостойкость сталей – 640-650^оС. 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 НRC_э и теплостойкость 700-720^оС.

 

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 НRC_э), 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 (НRC_э 63-64), прочности ( ГПа) и теплостойкости (до 620^оС).

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 НRC_э 40-44, а после закалки и отпуска НRC_э 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.

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/см^3	НRA, не менее
WC	Другие соединения	Co
ВК3 ВК3-М ВК6 ВК6-М ВК6-ОМ ВК8 ВК10-ХОМ		- - - - ТаС - Сr2C3			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 обраб