Т 4 Матеріали для виготовлення ріжучих інструментів

Ріжучі леза інструменту в процесі роботи знаходяться під дією високого тиску, тертя і високих температур, що призводить до зношування ріжучого інструменту. Тому до інструментальних матеріалів пред'являють наступні вимоги; високі механічні властивості (особливо міцність на згин і твердість); висока зносостійкість, висока теплостійкість.

Основним показником ріжучих властивостей інструменту є його експлуатаційний ресурс, який оцінюється числом оброблених однотипних деталей, площею обробленої поверхні, періодом стійкості інструменту і числом його переточувань, об'ємом зрізаного металу та ін.

Ресурс інструментів є функцією комплексу чинників. До їх числа відносяться: властивості інструментального матеріалу, конструкція інструменту, режими різання, стан верстата – жорсткість верстата і технологічність оснащення, вібростійкість.

Використовувані в даний час інструментальні матеріали поділяються на наступні групи:

1. Вуглецеві і низьколеговані інструментальні сталі.

2. Швидкоріжучі сталі.

3. Тверді сплави.

4. Мінералокераміка і кермети;

5. Синтетичні композиції з нітриду бора;

6. Синтетичні і природні алмази;

Аж до першого десятиліття ХХ століття єдиним інструментальним матеріалом була вуглецева інструментальна сталь. Через низькі температуро і зносостійкості швидкість різання не перевищували 30 м/хв, а кількість обертів шпинделя не перевищувало 300-500 об/хв.

На початку ХХ століття була розроблена перша високолегована інструментальна сталь, яка одержала назву швидкоріжучої сталі.

Вольфрам – який є основним легуючим елементом швидкорізальних сталей. Краща з них марка Р18 (18% вольфраму). Швидкості різання підвищилися до 40-60 м/хв.

Одночасно удосконалювалися металоріжучі верстати.

Починаючи з середини тридцятих років були одержані нові вольфрамотитанокобальтові тверді сплави. Пластинки із сплавів групи ВК використовують для обробки чавунів, а із сплавів групи ВТК – інструменти для обробки сталей – Т15К6 швидкість різання підвищилася в 2-3 рази в порівнянні з швидкоріжучою сталлю, частота обертання шпинделя підвищилася до 2000 об/хв.

У сорокових роках був одержаний новий інструментальний матеріал – мінералокераміка. Основою кераміки є корунд, що складається з оксиду алюмінію Al₂O₃. Одержують корунд з глинозему в електропечах при температурі 1100-1200⁰ і у зв'язку з цим їх називають електрокорундом.

Ріжучі пластинки з електрокорунду марки СМ332(білого кольору) – по твердості наближається до твердості алмазів, має високу температуростійкість – 1500⁰, проте через низьку механічну міцність не набули широкого поширення і використовуються тільки для тонкої чистової обробки.

Низька міцність і схильність до викришування пластинок СМ332 послужили поштовхом до пошуків нових, міцніших складів мінералокераміки. З цією метою почали додавати легуючі елементи – вольфрам, титан, молібден. Склади, що утворилися, з кристалів корунду і карбідів тугоплавких металів одержав назву кермети. Кермети в 2 рази міцніше за мінералокераміку, температуростійкість 1300⁰, твердість однакова. Пластинки керметів (металокераміки) марок ВАК – 60, ВАК – 63, НС 20М, застосовуються для остаточної обробки металів різанням.

У 50-х роках була розроблена технологія виробництва в промислових масштабах синтетичних алмазів. Різці оснащені алмазом, використовуються для обробки твердих, термооброблених металів, мінералів, заготовки з алюмінієвих сплавів з підвищеними вимогами до якості обробленої поверхні. Алмазні шліфувальні круги широко застосовуються для продуктивного і якісного заточування твердосплавних інструментів.

У 60-х роках доктором технічних наук Н. Е. Філоненко була розроблена оригінальна технологія виготовлення синтетичного мінерального матеріалу із з'єднання азоту і бору, що одержав назву ельбор.

Різці, оснащені лезами зі вставок ельбору, застосовуються для швидкісного чистового точіння чавунних заготовок, для обробки високолегованих сталевих заготовок і мінералів. Шліфувальні круги з ельбору володіють підвищеними ріжучими властивостями і переважні для шліфування виробів, виготовлених з високолегованих термооброблених сталей.

Для рентабельного використання різців, оснащених вставками з синтетичних алмазів та ельбору і отримання високої якості оброблених поверхонь необхідні вібростійкі, прецизійні верстати високої жорсткості. Отже розробка якісно нового виду інструментальних матеріалів знов вимагає чергового підвищення технічного рівня металоріжучих верстатів.

Фізико – механічні властивості інструментальних матеріалів.

Працездатність металоріжучого інструменту може бути забезпечена тільки в тому випадку, якщо його робоча частина виконана з матеріалу, що володіє комплексом певних фізико – механічних властивостей.

Твердість. Механічно оброблені інструменти піддаються термообробці, шліфуванню і заточуванню. В результаті термообробки істотно підвищується міцність і твердість інструментальних сталей. Твердість термооброблених інструментальних сталей вимірюється за шкалою С Роквелла і знаходиться в межах HRC 63-64, при такій твердості досягається найбільш стійка робота і найменша зношуваність лез. Конструкційні метали, що мають твердість HRC 30-35 задовільно обробляються інструментами з інструментальних сталей. Тверді сплави, мінералокераміка і синтетичні інструментальні матеріали мають високу природну твердість. Ця твердість вимірюється за шкалою А Роквелла і знаходиться в межах HRА 87-93. Конструкційні метали, термооброблені до HRC 45-55 можуть бути оброблені твердими сплавами. Різцями з синтетичних інструментальних матеріалів обробляються загартовані сталі.

Міцність. З усіх інструментальних матеріалів якнайкращим поєднанням міцнісних характеристик володіють інструментальні сталі. Робоча частина інструментів, виконаних з інструментальних сталей, успішно витримують складний характер навантаження і можуть працювати на стиск, кручення, згин і розтяг. Потім у порядку зменшення характеристик міцності йдуть: тверді сплави, мінералокераміка, синтетичні інструментальні матеріали і алмази. Всі ці матеріали достатньо добре витримують тільки навантаження стиску.

Температуростійкість. В процесі різання інтенсивно виділяється теплота, що веде до нагріву інструменту. Нагрів до температури нижче за деяке її критичне значення, різного для різних матеріалів, не впливає на їх структурний стан і твердість. Критична температура називається температурою червоностійкості. У основі терміну «червоностійкість» лежить фізична властивість металів в нагрітому до 600⁰С стані випромінювати темно-червоний колір. Різні інструментальні матеріали мають температуростійкість в межах від 220 до 1800⁰С. У порядку зменшення температуростійкості інструментальні матеріали розташовуються в наступному порядку:

а) Синтетичні інструментальні матеріали

б) Мінералокераміка

в) Тверді сплави

г) Інструментальні швидкоріжучі сталі

д) Інструментальні вуглецеві сталі

Теплопровідність. Ефективність відводу теплоти від леза в глиб маси інструменту визначається його теплопровідністю. Теплопровідність інструментальних матеріалів залежить від хімічного складу і температури нагріву. Так наприклад, теплопровідність інструментальних швидкорізальних сталей підвищується із збільшенням температури до 650-750⁰С і зменшується при нагріві вище цих температур. Присутність в сталі таких легуючих елементів, як вольфрам і ванадій, знижує теплопровідні властивості, а легування титаном, молібденом і кобальтом, навпаки, помітно підвищують.

Коефіцієнт тертя. Значення коефіцієнта тертя ковзання μ конструкційних металів по інструментальним матеріалам залежить від хімічного складу і фізико-механічних властивостей контактуючих пар, а також від контактних напружень на поверхнях тертя і швидкості ковзання. Умови взаємодії контактних поверхонь леза з оброблюваними металами практично відповідають умовам сухого зовнішнього тертя, при яких значення коефіцієнта тертя значно зростають. Це негативно впливає на зносостійкість інструменту.

Зносостійкість. Зношування лез інструменту відбувається впродовж всього періоду їх рухомого контакту з оброблюваним матеріалом. В результаті цього процесу леза втрачають деяку частину своєї маси і на них виразно видно сліди зносу у вигляді порушень форми робочих поверхонь. Зносостійкість залежить від нормальних напружень на контактних поверхнях матеріалів, що труться, і від швидкості відносного ковзання. (див. графік.)

Інтенсивність зношування J_u виражає швидкість наростання маси m продуктів зносу. Вона тим більше, чим нижче зносостійкість.

При взаємодії із сталями інтенсивність зношування також має екстремальний характер. (див. графік).

Злипання характеризується температурою при якій відбувається злиття двох матеріалів, наприклад карбід вольфраму – сталь 1100⁰С.

Вуглецеві інструментальні сталі містять вуглецю 0,6-1,4%. Вміст вуглецю багато в чому визначає властивості сталі. Загартування при температурі 750-820⁰С, швидке охолодження у воді, відпуск при температурі 120-150⁰С. Твердість після термообробки HRC 61-63. Недолік – низька теплостійкість 200-250⁰С. Марки сталі: якісні сталі У7; У10; У13 і високоякісні У7А; У10А; У13А. Застосовуються для виготовлення слюсарно-монтажних і ручних ріжучих інструментів, що працюють при малих швидкостях різання: зубил, викруток, ножиць, пил, ножівок, розверток, мітчиків і т.п.

Леговані сталі. Найбільш поширені марки Х; ХВГ; 9ХС та ін. Вміст легуючих елементів – близько 1%. Хром забезпечує глибоку прогартовуваність і підвищує твердість; вольфрам (В) сприяє підвищенню теплостійкості і зносостійкості; ванадій (Ф) сприяє підвищенню твердості і отриманню дрібнозернистої структури. Твердість після термообробки HRC 62-65, теплостійкість 250-300⁰ С.

З легованих сталей виготовляють мітчики, плашки, протяжки, розвертки, фасонні різці та інший інструмент, що працює при невисоких швидкостях різання.

Швидкоріжучі сталі. Основним легуючим елементом є вольфрам – 6-18%, окрім вольфраму швидкоріжучі сталі містять ванадій, хром, кобальт і молібден. Володіють високою твердістю, зносостійкістю, теплостійкістю – до 650⁰ С. Швидкоріжучі сталі позначають буквою Р і містять вольфрам. Із сталей марки Р9; Р18; Р6М5 виготовляють різці, фрези, свердла, зенкери, розвертки, зуборізні інструменти, а з швидкоріжучих сталей підвищеній продуктивності, наприклад Р9К5; Р18Ф2; Р9Ф5 – аналогічні інструменти для обробки жароміцних і титанових сплавів, корозійностійких і інших важкооброблюваних матеріалів. У термообробленому стані вони мають високу твердість, але зберігають пружність і в'язкість.

Тверді сплави. Вихідними матеріалами для їх виготовлення є порошки карбідів тугоплавких металів, зв'язаних металевим кобальтом. Порошки змішують в певних пропорціях, пресують у формах і спікають при температурі 1500 – 2000⁰ С. При спіканні тверді сплави набувають високу твердість і додаткової термічної обробки не потребують. Температуростійкість 800 – 900⁰ С. Твердість НRA 85 – 92. Допускають швидкість різання до 800 м/хв. Тверді сплави розділяють на три групи:

1. вольфрамові – марки ВК2, ВК4, ВК6, ВК8 та ін. Позначення ВК4 – в сплаві 4% кобальту решта карбіди вольфраму.

2. титанвольфрамові – марки Т5К10, Т15К6 та ін. У позначенні Т5К10 – 5% титана і 10% кобальту.

3. Титантанталовольфрамові – марки ТТ7К12, ТТ8К6 та ін. Вміст –ТТ7К12 – сумарний вміст карбідів титану і танталу 7%, кобальту 12%, інше – карбіди вольфраму. Ця група характеризується підвищеною зносостійкістю, міцністю, в'язкістю і застосовується при обробці важкооброблюваних сталей.

Головними недоліками твердих сплавів є крихкість і недостатня міцність при згині і розтягуванні. В'язкість твердих сплавів (а отже і їх крихкість) залежать від вмісту в них кобальту. Сплави, що містять найменшу кількість кобальту (ВК2, ВК3) володіють меншою в'язкістю; їх застосовують при обробці чавунів і інших крихких металів. Для обробки сталей застосовують інструменти із сплавів групи ТК(Т15К5, Т14К8 та ін.) Пластинками з твердих сплавів оснащують всі види різців і фрез.

В останні роки розробляються нові тверді сплави, що не містять карбідів вольфраму. Карбіди вольфраму замінені карбідами титану з домішками молібдену, нікелю і інших тугоплавких металів. Розроблені сплави ТМ1, ТМ3, ТН3 та інші володіють високою зносостійкістю.

Для додаткового підвищення зносостійкості повторно не заточуваних твердосплавних пластин на них наносять тонкий шар (2-10 мкм) карбіду титану або інших металів високої твердості. Це дозволяє в 2-5 рази підвищити стійкість інструменту.

Природні і синтетичні алмази

До ріжучих надтвердих матеріалів відносяться природні (А) і синтетичні алмази (АС). Синтетичні алмази випускають у вигляді порошків і у вигляді кристалів на керамічному і металічному зв'язках. Кристали алмазів закріплюють в інструменті паянням і механічно.

Різці з алмазними вставками марок АСБ – баллас (АСБ-5, АСБ-6) і марок АСПК – карбонаду (АСПК-1, АСПК-2, АСПК-3) володіють високою динамічною міцністю, неперевершеною зносостійкістю, що дозволяє застосовувати їх при обробці надзвичайно міцних сплавів.

Балласи застосовують для оснащення ріжучої частини різців, свердел, фрез, а також для виготовлення шліфувальних кругів.

Останніми роками широкого поширення набув синтетичний надтвердий матеріал на основі кубічного нітриду бору (КНБ). По твердості він поступається лише синтетичному алмазу, але по теплостійкості перевершує всі інструментальні матеріали (1600⁰С).

Теплостійкість алмазів порівняно низька – 650⁰С. Цей недолік компенсується високою теплопровідністю.

Кубічний нітрид бору (ельбор), володіючи всіма перевагами алмазу, має в той же час більшу термостійкість що досягає 1400⁰- 1800⁰С.

Модифікації кубічного нітриду бору: композит 01(ельбор – Р), композит 02(білбор) – для тонкого і чистового точіння, загартованих сталей без удару, чавунів будь-якої твердості, твердих сплавів. Композит 03(ісміт) – теж, композит 09 (ПТНБ) і композит 10(гексаніт – Р) – для тонкого і чистового точіння загартованих сталей з ударом твердістю до HRC59.

ПТНБ значно перевершує всі відомі матеріали за теплостійкістю.

Новий матеріал – силініт – Р – на основі нітриду кремнію SiN.

 

 

Т 5 Фізичні основи різання

Стружкоутворення при різанні

Різання металів є складним фізичним процесом, при якому виникають пружні (оборотні) і пластичні (необоротні) деформації. Цей процес супроводжується тертям, тепловиділенням, наростоутворенням, усадкою стружки, наклепом обробленої поверхні та зношуванням інструменту. Знання фізичної суті різання дозволяє раціонально керувати цим процесом і якістю обробленої поверхні.

Численні інструменти мають різну зовнішню форму, але ріжуча частина у всіх має форму клину і процес утворення стружки однаковий. Тому розглянемо цей процес на прикладі найпростішого ріжучого інструменту – стругального різця. Перші дослідження різання були проведені в Санкт-Петербурзькому політехнічному інституті в 1868 р.

На початку, коли рухомий різець під дією сили Р стикається з металом, в матеріалі виникають пружні деформації. При подальшому русі різець своєю кромкою вдавлюється в метал, спричиняючи його пластичну деформацію. По мірі переміщення різця об'єм пластично деформованого металу зростає і внутрішні напруження досягають значень, що перевищують тимчасовий опір металу. У цей момент весь пластично деформований метал зрушується у вигляді остаточного сформованого елементу стружки далі процеси повторюються. У відмінності від пружної деформації, що охоплює весь об'єм тіла, що деформується, пластична деформація концентрується на поверхні тіла і на деякій відстані Х зникає зовсім. Зі збільшенням швидкості деформації і зниженням пластичності матеріалу величина Х зменшується.

Об'єм металу, що піддається пластичній деформації обмежений з одного боку поверхнею леза, з іншою площиною О-О по якій сколюються елементи стружки. Цю площину називають площиною зсуву. Кут , що визначає положення площини зсуву щодо напряму руху інструменту, називають кутом зсуву (кутом сколювання). Кут І.А.Тіме назвав кутом дії.

Пізніше Усачовим було встановлено, що найбільші деформації зерен виникають не у напрямі площини О-О, а в іншому напрямі, який визначається кутом θ. Шар, що зрізується, піддається додатковій деформації внаслідок тертя стружки об передню поверхню інструменту. В результаті деформації в зоні стружкоутворння формується остаточна структура у вигляді видовжених зерен. Впорядковану орієнтацію деформованих кристалічних зерен називають текстурою, а кут θ – кутом текстури.

Характер деформації залежить від фізико-механічних властивостей оброблюваного металу, геометричних параметрів інструменту, режимів різання. Для сталі середньої твердості кут = 30⁰. Кут θ при обробці крихких матеріалів близький до нуля, а при обробці пластичних матеріалів доходить до 30⁰.

У зоні контакту задніх поверхонь інструменту з обробленою поверхнею також відбувається деформація, в результаті якої утворюється зміцнений поверхневий шар – наклеп. Зниження швидкості різання, зменшення переднього кута γ і заднього α, збільшення товщини шару, що зрізується, призводять до збільшення глибини наклепаного шару.

Судячи з розподілу мікротвердості в зоні стружкоутворення, межа розподілу пластичної деформації може відбуватися не тільки по площині сколювання, але і по деяких криволінійних поверхнях, які знаходяться в зоні стружкоутворення.

Види стружок.

При обробці металів можуть утворитися наступні види стружок: зливна, сколювання і надлому.

Зливна стружка являє собою суцільну стрічку з гладкою блискучою зовнішньою (прирізцевою) стороною. Внутрішня сторона стружки матова, зі слабо вираженими пилоподібними зазубринами. Вона утворюється при різанні пластичних матеріалів з великими швидкостями різання, малою товщиною шару, що зрізується, і великим переднім кутом інструменту.

Стружка сколювання із зовнішньої сторони гладка, а з внутрішньої сторони має яскраво виражені зазубрини – окремі елементи, сполучені в стрічку. Така стружка утворюється при обробці матеріалів середньої твердості, при малих швидкостях різання, з великою товщиною шару, що зрізується, і невеликими передніми кутами.

Стружка надлому утворюється при обробці крихких металів. Під дією сили, прикладеної до інструменту, відбувається надлом і руйнування матеріалу. Утворюються дрібні різноманітних форм і розмірів шматочки, не зв'язані або слабо зв'язані між собою. Оброблена поверхня виходить шорсткою, з зазубринами і виривами.

Змінюючи умови і режим різання, можна одержати різні види стружок. При підвищенні швидкості різання, збільшенні переднього кута інструменту, зменшенні товщини шару, що зрізується, для більшості сталей стружка сколювання перетворюється на зливну. Зливна стружка сходить у вигляді довгих смуг або спіралі. Вона намотується на механізми верстата, на інструменти і оброблювану заготовку. Це ускладнює експлуатацію верстата, може викликати травму і пошкодження обробленої поверхні. Тому застосовують різні способи дробіння стружки. Наприклад: на передній поверхні різців роблять спеціальні канавки, поріжки, встановлюють на різець стружколоми, застосовують вібрацію подачі.

Напрям сходу стружки визначається кутом нахилу головної ріжучої кромки λ.

При λ =0 стружка сходить у напрямі головної січної площини перпендикулярно головній ріжучій кромці.

При λ «+» стружка сходить до обробленої поверхні.

При λ «-» стружка сходить до оброблюваної поверхні.

Усадка стружки. В результаті пластичних деформацій, що виникають при різанні, довжина знятої стружки виявляється менше шляху, пройденого різцем, а товщина стружки а_с виходить більше товщини зрізу а. Ширина зрізу b мало відрізняється від ширини стружки b_с. Зміна розмірів шару, що зрізається називається усадкою стружки, яка характеризується трьома коефіцієнтами: коефіцієнтом скорочення стружки ,коефіцієнтом потовщення стружки і коефіцієнтом збільшення ширини ; – малий і тому ним можна знехтувати. Так як об’єм пластично деформованого металу не змінюється, то і при маємо . Коефіцієнти усадки стружки являють собою прості співвідношення лінійних розмірів стружки і шару, що зрізається. В тих випадках, коли довжину стружки виміряти складно, k_l визначають за відношенням площин перерізу стружки і шару, що зрізається.

Чим менше усадка стружки, тим менша пластична деформація, більш сприятливі умови стружкоутворення і менші витрати потужності на різання.

На величину усадки стружки впливають механічні властивості оброблюваного матеріалу, геометричні розміри ріжучого інструмента, швидкість різання, подача і охолодження. Розглянемо вплив окремих чинників на усадку стружки.

Оброблюваний матеріал. Коефіцієнт усадки стружки характеризує пластичність оброблюваного матеріалу. Пластичні матеріали деформуються сильніше крихких, тому з підвищенням пластичності усадка збільшується. При значних деформаціях k_l досягаю 3 - 6 і більше – для сталі.

Передній кут γ. З його збільшенням усадка зменшується, так як різець з більшим переднім кутом врізається краще в оброблюваний матеріал і менше деформує шар, що знімається.

Кут різання δ. З його збільшенням збільшується усадка, так як передній кут зменшується.

Швидкість різання. Залежність усадки стружки від швидкості різання показано на рисунку. Зменшення усадки зі збільшенням швидкості різання пояснюється зниженням коефіцієнта тертя між стружкою і передньою поверхнею інструменту.