3. Основы размерной обработки заготовок деталей машин.

3.1. Основные понятия методов размерной обработки деталей машин. Инструментальные материалы.

Обработка резанием - это технологический процесс изготовления деталей, заключающийся в образо­вании новых поверхностей отделением поверхностных слоев материала с образованием стружки.

Обработка резанием является универсальным методом размерной обра­ботки. Метод позволяет обрабатывать поверхности деталей различной формы и размеров с высокой точностью из наиболее используемых конструкционных ма­териалов. Он обладает малой энергоемкостью и высокой производительностью. Вследствие этого обработка резанием является основным, наиболее используе­мым в промышленности процессом размерной обработки деталей.

Резание про­исходит путем внедрения в обрабатываемую заготовку клинообразного твердого тела - режущей части инстру­мента, движение которого осуществляется под действием сил привода станка. В зоне соприкосновения режущего клина инструмента и срезаемого слоя заготовки проис­ходит сложный процесс пластического деформирования и разрушения металла, приводящий к образованию стружки и отделению ее от заготовки.

Для осуществления резания необходимо относитель­ное движение между заготовкой и режущим инструмен­том. Совокупность относительных движений инструмента и заготовки, необходимых для получения заданной по­верхности, называют кинематической схемой обработки. Все принципиальные схемы обработки резанием основаны на сочетании двух элементарных движений вращатель­ного и прямолинейного.

Прямолинейное поступательное или вращательное дви­жение инструмента или заготовки, происходящее с наи­большей скоростью в процессе резания и определяющее скорость снятия материала срезаемого слоя, называют главным движением резания D_r (рис.1). Ско­рость главного движения обозначают буквой v.

рис.1

Прямо­линейное поступательное или вращательное движение инструмента или заготовки, скорость которого меньше скорости главного движения резания, предназначенное для того, чтобы распространить отделение слоя мате­риала на всю обрабатываемую поверхность, называют движением подачи D_s. Скорость движения подачи обоз­начают буквой v_s. У токарных станков главным движением является вращательное дви­жение заготовки, а прямолинейнее движение подачи сообщается резцу

Детали и инструменты за­крепляются в специальных орга­нах станка или приспособлениях. Станок, приспособление, инстру­мент и деталь образуют силовую систему (СПИД), передающую усилие и движение резания от привода станка режущему инст­рументу и детали.

Основными методами обработки материалов резанием являются точение, сверление, фрезе­рование, строгание и шлифование. Из них наиболее распространенным и изученным методом с точки зрения теории резания металлов является точение. Процесс точения имеет много общего со всеми дру­гими методами механической обработки металлов, поэтому правильное понимание этого процесса облегчает изучение всех других методов обработки резанием, поэтому точение рассмотрим наиболее под­робно.

Обрабатываемой по­верхностью детали (рис.1-1) называют поверхность, с которой снимается стружка. Обработанной поверхностью называется поверхность, полученная после снятия стружки (рис.1-3). Поверхностью резания (рис.1-2) называется поверх­ность, образуемая режущей кромкой резца в результате движений резания. Она является переход­ной между обработанной и обрабатываемой поверхностями.

Режущие кромки инструментов в процессе работы находят­ся под действием больших давлений и, кроме того, нагре­ваются до высоких температур в результате деформирования обрабатываемого материала и наличия сил трения. Поэтому инструментальные материалы должны обладать высокой твердостью, значительной теплостойкостью и износостойкостью, высокой механической прочностью и вязкостью.

В зависимости от химического состава инстру­ментальные стали подразделяют на углеродистые, леги­рованные и быстрорежущие. В холодном состоянии эти стали различаются по твердости незначительно. Основ­ное их различие - разная теплостойкость.

Из-за отсутствия легирующих элементов углеродистые стали обладают хорошей технологичностью и являются дешевым инструментальным материалом. Недостатком уг­леродистых сталей является низкая теплостойкость (200 - 250 °С). При более высоких температурах нагрева в ре­зультате структурных превращений твердость углероди­стых сталей снижается и инструмент теряет свои режу­щие свойства. Углеродистые инструментальные стали применяют для изготовления слесарно-монтажных и ручных режущих инструментов, работающих при малых скоростях реза­ния: зубил, отверток, ножниц, пил, ножовок, разверток, метчиков, плашек и т. п. Инструменты из углеродистой инструментальной стали тщательно шлифу­ют и доводят до получения высокой остроты кромок, поэто­му их успешно применяют там, где необходимо получить высокое качество обработанной поверхности при малых ско­ростях резания.

Легированные инструментальные стали. Легирование обеспечивает глубокую прокаливаемость, повышает твердость, способствует повышению теплостойкости и износостойкости. Скорость резания в 1,2 - 1,4 раза выше по сравнению со скоростью резания углеродистых сталей.

Быстрорежущие стали. Высокие режущие свойства материалу обеспечивают сложные карбиды, свя­зывающие почти весь углерод структуры. Это позволило увеличить скорость резания в 3 - 4 раза по сравнению со скоростью резания углеродистыми сталями. Быстрорежущие стали делятся на две группы: обычной и повышенной производительности. Из сталей нормальной производи­тельности Р9, Р18, Р6М5 изготовляют резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки, зуборезные инструменты, а из быстрорежущих сталей повышенной производитель­ности, например Р9К5, Р18Ф2, Р9Ф5, Р18К5Ф2 - ана­логичные инструменты для обработки жаропрочных и титановых сплавов, коррозионно-стойких и других труднообрабатываемых материалов.

Твердые сплавы подразделяют на металлокерамические и минералокерамические и выпускают в виде различных пластинок, применяемых для оснащения режущих кромок инструментов. Инструменты, оснащенные пластинками из твердых сплавов, допускают особенно высокие скорости резания, так как их теплостойкость значительно выше, чем у инструментов из быстрорежущих, а тем более углеродис­тых сталей. Кроме того, твердые сплавы обладают большой сопротивляемостью истиранию.

Металлокерамические твердые сплавы продукт порошковой металлургии. Вольфрамовые (однокарбидные) сплавы (группы ВК) состоят из карбидов вольфрама WC и цементирующей связки - кобальта. Воль­фрамотитановые (двухкарбидные) сплавы (группа ТК) состоят из карбида вольфрама WC, карбида титана TiC и кобальта. Вольфрамотитанотанталовые (трёхкарбидные) сплавы (группы ТТК) состоят из карби­дов вольфрама, титана, тантала и кобальта.

Буква К с последующей цифрой обозначает содержание кобальта в процентах. Так, в сплаве ВК8 со­держится 8 % кобальта, остальное (92 %) - карбиды воль­фрама. Содержание карбидов титана в сплаве группы ТК дано цифрой после буквы Т. Например, в сплаве Т15К6 имеется 15 % карбидов титана, 6 % кобальта, остальное (79 %) - карбиды вольфрама. В группе вольфрамотитанотанталовых сплавов (ТТК) после второй буквы Т дается суммарное содержание карбидов титана и карбидов тантала в процентах. Так, в сплаве ТТ7К15 содержится 7 % карби­дов титана и тантала, 15 % кобальта, остальное (78 %) — карбиды вольфрама.

Спла­вы группы ВК применяют при обработке деталей из чугу­на. При обработке стальных деталей следует применять сплавы группы ТК и ТТК. Сплавы группы ТТК особенно эффективны в процессах прерывистого резания для операций черновой обработки с большим сечением срезаемого слоя. С увеличением содержания кобальта сплавы становятся менее хрупкими, их прочность при изгибе увеличивается. Поэтому сплавы с большим содержанием кобальта приме­няют при черновой обработке, с меньшим содержанием ко­бальта - при чистовой. С уменьшением размеров зёрен возрастает износостойкость, но снижается прочность. В маркировке добавляется буква М, например, ВК3-М. Мелкозернистые используют для чистовой обработки. Крупнозернистые (В) твердые сплавы, например, ВК6В используют для инструмента работающего при ударных нагрузках. При обработке жаропрочных и титановых сплавов при­меняют твердосплавный инструмент группы ВК, не со­держащий в своем составе титана. Т.к. все жаропрочные конструкционные сплавы содержат титан и при их обработке инструментом, содержащим ти­тан, происходит адгезия - схватывание с последующим вырыванием частиц инструментального материала струж­кой или материалом заготовки вследствие их молекуляр­ного сцепления. Это приводит к прежде­временному разрушению инструмента.

Для дополнительного повышения износостойкости по­вторно не затачиваемых твердосплавных пластин и цельнотвердосплавных инструментов на них наносят тонкий слой карбида или нитрида титана или других вы­сокотвердых материалов. Это позволяет в 2 - 5 раз повы­сить стойкость инструмента с покрытием по сравнению со стойкостью исходного материала.

Минералокерамические твердые сплавы представляет собой окись алюминия А1₂О₃, подвергнутую специальной термической обработке и выпускаемую в форме пластинок белого цвета разнообразных профилей и раз­меров. Минералокерамика превосходит металлокерамические твердые сплавы по твердости и теплостойкости, но значи­тельно уступает им в отношении вязкости и теплопроводно­сти. Ее малое сродство с металлами исключает адгезионное взаимодействие с обрабатываемым материалом, вследствие чего достигается меньшая шерохо­ватость поверхности, чем при обработке твердосплавным инструментом.

Существенным недостатком оксидной керамики яв­ляется высокая хрупкость, низкая ударная вязкость и плохая сопротивляемость циклическим изменениям тепловой нагрузки.

Инструменты из оксидной керамики используют при чистовой и получистовой обработки с высокими скоростями резания в условиях безударной нагрузки, без охлаждения и при повышенной жесткости системы СПИД. Наи­большее применение получила минералокерамика ЦМ-332 и ВО-13.

Керамико-металлические спла­вы - керметы, состоящие из окиси алюминия А1₂О₃ и карбидов вольфрама, титана и молибдена (ВОК-60, ВОК-63, В3). Керметы примерно в два раза прочнее минералокерамики, но менее износостойки, их применяют для чистовой обработки деталей.

Сверхтвёрдые инструментальные материалы. Для изготовления режущих инструментов используют как природные, так и синтетические алмазы. Синтетические алмазы получают путем перевода углерода в другую модификацию и значительного уменьшения объ­ема исходного графита в условиях высоких температур и давлений. Он обладает высокой износостойкостью, хорошей теплопроводностью, небольшим коэффициентом трения и малой адгезионной способностью к металлам (что способствует получению низкой шероховатости обработанной поверхности), за исключением сплавов железа с углеродом (их обработка запрещена). Наряду с высокой твердостью алмаз обладает большой хрупкостью. Следует добавить, что кристаллы природных алмазов обладают большой анизотропией - твердость и прочность его в различных направлениях могут изменяться в сотни раз и при надлежащей кристаллографической ориентации можно значительно повысить стойкость инструмента.

Алмазный инструмент характеризуется высокой произ­водительностью при тонком точении и растачивании цвет­ных сплавов, пластмасс и т. п. При этом обеспечивается высокое качество поверхности, что, как правило, исклю­чает необходимость операции шлифования обрабатывае­мых поверхностей. К недостаткам алмазных инструмен­тов относится их высокая стоимость (более чем в 50 раз выше стоимости других инструментов) и дефицитность

На основе плотных модификаций кубического нитрида бора (КНБ) создан ряд инструментальных материалов, носящих название композиционных (композиты). Это эльбор (композит 01), бельбор (композит 02)… .

КНБ синтезирован подобно искусственного алмаза. Он обладает высокой твер­достью, уступая лишь алмазу. По тепло­стойкости (до 1600 °С) кубический нитрид бора превосхо­дит все инструментальные материалы и химически инер­тен к железу и углероду. Это дает возможность использо­вать кубический нитрид бора в качестве абразивного ин­струмента при обработке различных высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов, обеспечивая требуемое качество обработки и экономичность при высокой стои­мости самого инструмента. Резцы, оснащенные кубическим нитридом бора, успешно применяют при тонком точении и растачивании закаленных сталей, что совершенно недо­ступно для работы алмазными резцами. Применение инструмента из КНБ для чистовой обработки высоко­прочных чугунов, закаленных сталей и некоторых сплавов по­зволяет в 10 - 20 раз повысить скорость резания этих материалов по сравне­нию с обработкой твердосплавным инструментом.