2.3 Пути сокращения основного времени

При механической обработке сокращение основного времени достигается путем интенсификации режимов резания. К ним относятся скорость, подача и глубина резания.

Выбор скорости резания, в значительной степени, зависит от материала режущих инструментов. В настоящее время используют следующие виды материалов:

– инструментальные стали;

– быстрорежущие стали;

– твердые сплавы;

– сверхтвердые материалы.

Инструментальные стали работают со скоростями не более 10 м/мин. В связи с такими невысокими скоростями резания этот вид режущих материалов можно признать устаревшим. Из инструментальных сталей изготавливают некоторые инструменты в инструментальных цехах предприятий. Материалы достаточно технологичны: в качестве заготовок используют прокат, могут подвергаться горячему пластическому деформированию, хорошо обрабатываются лезвийным режущим инструментом, подвергаются закалке и отпуску и шлифованию кругами из электрокорунда белого.

Быстрорежущие стали работают по сравнению с инструментальными сталями с более высокими скоростями. Технологичность этих двух материалов сопоставима между собой. Быстрорежущая сталь может подвергаться тем же видам обработки, что и инструментальная. Это создает возможность изготавливать из быстрорежущих сталей сложные режущие инструменты: метчики, зубообрабатывающие долбяки и червячные фрезы, профильные резцы и др.

Кроме технологической привлекательности быстрорежущие стали имеют перспективы своего использования: повышение скорости резания за счет совершенствования структуры материала и нанесения на режущие кромки сверхтвердых покрытий.

Заготовки могут быть получены не только прокатом, но и методом порошковой металлургии. Порошковая быстрорежущая сталь обладает высоким качеством структуры материала, что благотворно сказывается на режущих свойствах инструментов. После нанесения сверхтвердых покрытий инструменты могут работать со скоростями до 125 м/мин, что близко к скоростям работы твердых сплавов.

Твердые сплавы являются в настоящее время самым распространенным материалом для режущих инструментов, используемых при механической обработке. Около 90% всей механообработки в мире выполняется твердыми сплавами.

Изготавливают твердые сплавы методом порошковой металлургии. В составе порошков кобальт, карбиды и нитриды титана, вольфрама, тантала. Кобальт выполняет роль связки. Его процентное содержание может колебаться от 2-х до 15%. Чем больше в составе твердого сплава кобальта, тем выше его прочность, но одновременно ниже износостойкость.

Скорость резания при работе твердыми сплавами, превышает 100 м/мин. Инструменты из твердых сплавов в последние годы прошли путь существенного совершенствования.

Появились многогранные быстросменные неперетачиваемые пластины, использование которых дает ряд технико-экономических выгод. После затупления одной из режущих кромок производят поворот пластины, и в работу вступает другая. Изготавливают пластины с двумя – пятью режущими гранями, кроме того, иногда пластину можно перевернуть и работать гранями другой стороны. Изношенные пластины перемалывают в порошки, не допуская потерь дефицитных материалов, что неизбежно при затачивании.

На пластины наносят сверхтвердые покрытия. Эти покрытия имеют толщину несколько микрометров, наносят одно-, двух- и трехслойные покрытия. Пластины с покрытиями имеют более высокую стойкость, что позволяет работать с более высокими скоростями резания (до 230м/мин) и добиваться более высокой производительности обработки.

Кроме отечественных твердых сплавов по стандартам, регламентирующим вольфрамо-кобальтовые сплавы ВК, титано-вольфрамокобальтовые ТК, титано-танталовые ТТ, в стране используют большое число твердосплавных пластин зарубежных производителей, ведущее место среди которых занимают Sandwik Coromant, Iscar, Kennametal, Hertel, Walter. Число марок превышает несколько сотен. Как разобраться в этом многообразии и грамотно использовать, чтобы получить наибольший эффект? Ведь одни сплавы обладают высокой прочностью, но недостаточной износостойкостью. Их целесообразно использовать на черновых работах, при ударных нагрузках. Другие сплавы, наоборот, при уменьшенной прочности обладают высокой износостойкостью, и их область применения – чистовая обработка.

Таблица 2.1 - Группы и подгруппы применения твердых сплавов

Группы Подгруппы	P	M	K	Изменение свойств
05				Износостойкость П рочность
10
15
20
25
30
35

Стандарт ISO предусматривает деление всех твердых сплавов на 3 группы и несколько подгрупп применения (табл.2.1).

Сплавы группы Р (буква латинская) предназначены для обработки материалов, дающих сливную стружку. К таким материалам относится сталь, ковкий чугун.

Сплавы группы М предназначены для обработки труднообрабатываемых материалов (жаропрочные стали, титановые сплавы).

Сплавы группы К предназначены для обработки материалов, дающих сыпучую стружку (серый чугун, цветные металлы и их сплавы, пластмассы, бетон).

Подгруппы применения 05, 10, 15, 20, 25, 30, 35 перечислены в порядке повышения прочности сплава. Но, одновременно, снижается износостойкость. Чем больше кобальта в сплаве, тем выше номер подгруппы, так как возрастает его прочность. И, наоборот, малое содержание кобальта у сплавов высокой износостойкости, предназначенных для финишной обработки. Например, сплав Т5К10 (Р30) содержит 10% кобальта, обладает большей прочностью в сравнении со сплавом Т15К6 (Р15 – Р25), и еще большей прочностью, чем сплав Т30К4 (Р05). Но последний из сплавов является наиболее износостойким.

Сплав ВК3М (К10) обладает высокой износостойкостью, а сплав ВК8 с меньшей износостойкостью, но с более высокой прочностью работает в нескольких подгруппах применения (К20 – К30).

Привлекательность сплавов Т15К6 и ВК8 объясняется их широким диапазоном применяемости, они неплохо работают в трех подгруппах применяемости, их можно использовать при чистовой, получистовой и черновой обработке. Можно – не означает, что нужно. При чистовой обработке более эффективными окажутся сплавы Т30К4 и ВК3М, ВК6ОМ, а при черновой Т5К10, Т8К14 и ВК10.

Широкую универсальность приобретают сплавы за счет сверхтвердых покрытий. У многогранных пластин с покрытиями прочная сердцевина. Многие сплавы с покрытиями работают в нескольких подгруппах применения, а даже в двух разных группах.

Безвольфрамовые твердые сплавы (керметы) пригодны для чистовой обработки, при которой они показывают по износостойкости и качеству обработки зачастую лучшие результаты, чем другие сплавы.

К сверхтвердым материалам (СТМ) относятся алмазы, композиты и режущая керамика.

Алмазы подразделяются на естественные и искусственные. Этот материал является наиболее твердым из всех существующих. Однако, он совершенно непригоден для обработки на высоких скоростях черных металлов (стали и чугуна) в связи со сродством элемента (углерода), из которого он состоит и который входит в состав обрабатываемого материала. Из алмазов изготавливают резцы для обработки цветных металлов и их сплавов, инструменты для правки абразивных кругов. В качестве абразивного материала алмазные зерна и порошки служат для шлифования и притирки твердых сплавов.

Алмазы широко используют в инструментах, которыми правят шлифовальные круги. Стойкость шлифовальных кругов сравнительно невелика. Происходят два явления. 1. Зерна тупятся. 2. В связку внедряются продукты шлифования, при этом режущая способность круга уменьшается, говорят, круг засаливается. При правке алмазный правящий инструмент выкрашивает затупившиеся зерна и срезает засаленную связку.

Существует три вида правящих инструментов, в которых используют алмазы.

1. Алмазные карандаши. Это стальные стержни, на одном из торцов которых послойно в твердом сплаве впрессованы алмазные зерна небольшой величины.

2. Алмазы в оправе. Это тоже стальные стержни, но в них на одном из концов зачеканены алмазные зерна более крупных размеров, таким образом, что наиболее выступающей точкой является одна из вершин алмазного зерна.

3. Алмазные правящие ролики. На периферии роликов имеется твердосплавный слой, насыщенный алмазными порошками. При правке быстро вращающиеся алмазные ролики становятся режущими инструментами, а более медленно вращающиеся шлифовальные круги становятся обрабатываемым изделием. Долговечность роликов велика. Их износ составляет примерно 0,01 мм на каждые 10 тысяч правок. Более подробно правящие инструменты будут рассмотрены в разделе шлифования.

Композиты по своим свойствам и способам изготовления подобны искусственным алмазам. И те и другие изготавливают из исходного сырья при высокой температуре и высоком давлении. Для алмазов сырьем служат порошки углерода, для композитов – нитрид бора. Марки композитов: 01, 02, …..10.

Композит 01 имеет название эльбор (ленинградский бор). Этот материал прекрасно работает по чугуну и закаленной стали, но плохо – по стали незакаленной. При спекании образуются монокристаллы, имеющие малые размеры (диаметр 4 мм и длину 6 мм). Кристаллы композита 05 имеют несколько большие размеры, изготавливают из них круглые пластинки диаметром 6 мм, которые используют в конструкции двух-, трехрядных торцовых фрез. Композит 10 (гексанит) имеет очень высокую прочность. К примеру, резцами из композита 10 можно растачивать закаленные кулачки токарных патронов. При резании композитами закаленной стали оптимальной скоростью резания является 100 м/мин, при резании чугуна можно поднимать скорость до 400 – 800 м/мин.

Абразивными кругами из эльбора на керамической связке можно шлифовать и затачивать инструменты из быстрорежущей стали.

Режущую керамику получают путем спекания двуокиси алюминия Al₂O₃. Используют белую, серую и черную керамики. Серая и черная керамики имеют добавления карбида титана: TiC. Белая и серая керамика прекрасно работает по незакаленной стали со скоростью до 250 м/мин, черная – по чугуну и закаленной стали со скоростью 100 м/мин. Из керамики изготавливают многогранные пластины различной формы.

Имеются керамики на основе окиси кремния. Используют также керамику в виде сверхтвердых покрытий.

Сверхтвердые материалы, работающие на высоких скоростях резания, востребованы на автоматизированных станках, в частности, на станках с ЧПУ. И дело не только в вопросах охраны труда, когда закрытая ограждениями зона резания создает более безопасные условия работы оператора, Высокая частота вращения обеспечивает высокую минутную подачу перемещения режущего инструмента относительно заготовки. На ручных станках рабочий не успевал среагировать на момент, когда требовалось прекратить движение подачи, а для станков с ЧПУ такой проблемы не существует.

Металлорежущие станки по силовым и скоростным характеристикам обязаны позволять работать с теми возможностями, с которыми могут работать режущие инструменты. В последние несколько десятилетий мощность главных приводов возросла примерно в 5 раз, а верхний предел частоты вращения шпинделя – более чем в 2 раза.

Итак, основное время можно сократить путем интенсификации режимов резания.