4.1. Вимоги до інструментальних матеріалів.

Працездатність металорізального інструменту забезпечується необхідними властивостями: твердістю, міцністю, температуростійкістю, теплопровідністю, оптимальним коефіцієнтом тертя й зносостійкістю.

Твердість. Щоб врізатись в поверхневі шари заготовки, матеріал ріжучого інструменту повинен мати більшу твердість ніж твердість заготовки. Твердість інструменту залежить від матеріалу і мати високу природну твердість (HR_A 87 ÷ 93) тверді сплави, мінералокераміка, алмаз, ельбор, або може бути отримана спеціальною обробкою (загартуванням, напилюванням та ін.). Термообробка підвищує міцність і твердість інструментальних сталей, до твердості HR_C 63 ÷ 64 при якій досягається найбільша стійкість й найменша зношуваність лез.

Конструкційні метали, що мають твердість HRC 30-35, задовільно обробляються інструментами з інструментальних сталей при HRC 63 ÷ 64, тобто при відношенні твердості, приблизно рівному 2.

Міцність. У процесі різання на робочу частину інструмента діють сили різання, що досягають більше 10 кН = 1000 кГс. Під дією цих сил виникають високі питомі навантаження. Щоб запобігти руйнуванню робочої частини, інструментальні матеріали повинні мати високу міцність.

Відношення межі міцності при стисканні ( ) до межі міцності при розтягуванні ( ): Чим вона менша, тим краще матеріал здатен витримувати різнобічні навантаження. Із всіх інструментальних матеріалів найкращий комплекс характеристик міцності мають інструментальні сталі. Завдяки цьому робоча частина інструментів з інструментальних сталей, успішно витримує складний характер навантаження й може працювати на стиск, скручування, вигин і розтягування.

У порядку убування відносної міцності мають: тверді сплави, мінералокераміка, синтетичні інструментальні матеріали й алмази. Всі ці матеріали добре витримують стискаючі навантаження, однак мають низьке значення міцності на вигин (σ_и = 0,3÷1,0 ГПа). Межа міцності на розтягування настільки малі, що не можуть працювати під дією розтягуючих навантажень. При використанні цих матеріалів необхідно за рахунок відповідної геометрії домагатися, щоб на них діяли тільки стискаючі навантаження.

Температуростійкість. У процесі різання найбільша температура досягається на контактних поверхнях ріжучої кромки. Нагрівання до температури нижче критичної, та охолодження від докритичних температур не позначається на структурному стані й твердості матеріалу інструменту. При температурі вище критичної в інструментальному матеріалі відбуваються структурні зміни й пов'язане із цим зниження твердості. Критична температура називається температурою червоностійкості. Червоностійкість - здатність матеріалу зберігати свої фізико-механічні властивості, зокрема, твердість при високій температурі. Червоностійкість так само як і теплопровідність, залежить від хімічного складу й структури інструментального матеріалу.

Різні інструментальні матеріали мають температуростійкість від 220°С до 1800°С. У порядку убування вони розташовуються: а) синтетичні; б) мінералокераміка; в) тверді сплави; г) швидкорізальні сплави; д) інструментальні вуглецеві сталі.

Теплопровідність Збільшення працездатності різального інструменту може бути досягнуто не тільки за рахунок підвищення температуростійкості інструментального матеріалу, але й завдяки поліпшенню умов відводу теплоти, що викликає розігрів лез.

Теплопровідність інструментальних матеріалів залежить від хім. складу й температури нагрівання. Теплопровідність, швидкорізальних сталей підвищується зі збільшенням температури до 650-750°С і зменшується при нагріванні понад цієї температури. Присутність у сталі таких легуючих елементів, як вольфрам і ванадій, знижує теплопровідність, а титан, молібден і кобальт - підвищують. Це ж стосується і твердих сплавів, що вміщує карбід титана. Вони більше теплопровідні, чим сплави, що містять тільки карбіди вольфраму.

Коефіцієнт тертя Значення коефіцієнта тертя зсув конструкційних металів по інструментальним матеріалам залежить від хімічного складу й фізико-механічних властивостей контактуючих пар, а також від контактних напруг на поверхнях тертя, температури і швидкості зсув.

У процесі різання тиск на контактних поверхнях леза становить: 0,1-0,6 ГПа. (1 ГПа = 100 кг/мм²)

Під дією настільки великих навантажень оксидні й адсорбційні плівки на поверхнях тертя інструменту й заготовки руйнуються. Умови взаємодії контактних поверхонь леза із оброблюваним металом практично відповідають умовам сухого зовнішнього тертя, при яких значення коефіцієнта тертя значно зростає.

Коефіцієнт тертя функціонально пов'язаний з роботою сил тертя, що витрачається при різанні і впливає на зносостійкість і інтенсивність зношування інструментальних матеріалів.

Як наслідок дії тиску та температури є злипання. Злипання, визначається фізико-хімічною спорідненістю інструментального матеріалу з оброблюваним матеріалом. Злипання характеризується температурою, при якій відбувається злипання двох матеріалів. Чим вище температура злипання, тим якісніше інструментальний матеріал. Нижче наведена температура злипання деяких матеріалів.

Карбід вольфраму — сталь............1100 С°

Карбід титану — сталь............1150 С°

Сплав з (5%Со) — сталь..............675 С°

Сплав з (20%Со) — сталь.............600 С°

Зносостійкість. Взаємодіючі тіла в умовах різання стирають одне одного, під зносостійкістю, розуміють здатність матеріалу пручатися стираючої дії матеріалу контртіла.

Зношування леза інструментів відбувається протягом усього періоду рухливого контакту з оброблюваним матеріалом. У результаті цього процесу леза втрачають деяку частину своєї маси й на них чітко видні сліди зношування у вигляді порушень форми робочих поверхонь.

Зносостійкість - це кількісне відображення роботи сил тертя, витраченої на перетворення деякої маси леза в продукт зношування в конкретних умовах взаємодії з певним конструкційним матеріалом.

4.2.Класифікація інструментальних матеріалів.

В якості інструментальних матеріалів використаються: вуглецеві інструмен­тальні, леговані інструментальні й швидкорізальні сталі, металокерамічні тверді сплави, мінералокерамічні матеріали, алмази й абразивні матеріали.

4.3.Вуглецеві інструментальні сталі.

Вуглецеві інструментальні сталі марок У10А, У11А, У12А, і У13А застосовуються для виготовлення свердел малих діаметрів, зенкерів, фрез і інших інструментів, що працюють із низькими швидкостями різання (ν < 10÷15 м/хв).

4.4.Леговані інструментальні сталі.

Леговані інструментальні сталі марок ХГСВФ, 9ХС, ХВГ, X, 11Х, ХВСГ і їм подібні також використають при роботі з невеликими швидкостями різання для виготовлення свердел, круглих плашок, фрез, мітчиків, розгорток, протяжок і т.п.

4.5.Швидкорізальні сталі.

Швидкорізальна сталь застосовується для різців, свердлів, фрез, зенкерів, розгорток, протяжок, зубонарізного й інших різальних інструментів, що працюють з підвищеними швидкостями різання (v - 10÷50 м/хв). Найбажанішими марками швидкорізальної сталі є Р9 і Р18 що має найоптимальніший комплекс властивостей, але вміщує досить значну кількість дефіцитного вольфраму. Останнім часом застосовується швидкорізальна сталь Р12(на заміну Р18) – аналог відомої "Рапід", а також вольфрамомолібденові сталі Р9М і Р18М з підвищеною стійкістю. Для обробки сталей і сплавів, з підвищеною міцністю й в'язкістю (нержавіючих, жароміцних і інших), застосовуються швидкорізальні сталі марок Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2, Р10К5Ф5, Р9Ф5. Ці марки мають більше високу зносостійкість, чим Р9 і Р18, але і більшу собівартість.