2.4. Синтетические сверхтвердые и керамические инструментальные материалы

Эффективность обработки заготовок на автоматических линиях, станках с ЧПУ, многоцелевых станках, в ГПМ и ГПС в значительной степени зависит от свойств материалов рабочей части режущих инструментов, главным образом от износостойкости и теплостойкости. Высокая эффективность работы этих систем обеспечивается применением новых сверхтвердых и керамических инструментальных материалов.

В настоящее время инструментальная промышленность выпускает инструментальные материалы на основе нитрида бора (композиционные) и на основе оксида алюминия (керамические).

Существует большое разнообразие сверхтвердых материалов (СТМ) на основе модификаций нитрида бора. СТМ в зависимости от технологии производства и получаемых физико-механических свойств делят на три группы:

СТМ на основе фазового превращения графитоподобного нитрида бора в кубический (композит 01 —эльбор РМ и композит 02 — белбор). Применяют для тонкого и чистового точения резцами при приложении безударной нагрузки и торцовом фрезеровании закаленных еталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов е содержанием кобальта более 15% (

СТМ на основе частичного или полного превращения вюрцитяого нитрида бора в кубический (однословный и двухслойный композит 10 — гексанит-Р и модификации композита 09 — ПТНБ, ПТНБ-ИК и др.). Применяют для предварительной и окончательной обработки сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов при приложении безударной или ударной динамической нагрузки;

СТМ на основе спекания частиц кубического нитрида бора (композит 05, киборит и ниборит). Применяют для предварительной и чистовой обработки заготовок из чугуна любой твердости с наличием поверхностной литейной корки.

Инструментальные керамические материалы можно также разделить на три группы, различающиеся химическим составом, методом производства и областями рационального использования:

1. оксидная «белая» керамика, состоящая из А1₂0з е легирующими добавками MgO, ZrO_s и др. Основные марки: ЦМ332 и ВО-13. Применяют для чистовой и получистовой обработки незакаленных сталей и серых чугунов со скоростями резания до 15 м/с;

2. оксидно-карбидная «черная» керамика (ВОК-60), состоящая из А1₂0₃ (до 60%), TiC (до 20...40%), Zr0₂ (до 20...40%) и других карбидов тугоплавких металлов. Применяют для чистовой и получистовой обработки ковких, высокопрочных, отбеленных модифицированных чугунов и закаленных сталей;

3. керамика силинит Р на основе нитрида кремния в легированием оксидами иттрия, циркония, алюминия. Применяют для получистовой обработки чугунов.

Основным направлением конструирования инструментов из СТМ и керамических материалов является создание резцов и фрез с механическим креплением цельных и двухслойных круглых и многогранных режущих пластин.

2.5. Абразивные материалы

Абразивные материалы — мелкозернистые порошковые вещества (химические соединения элементов), которые используют для изготовления абразивных инструментов; шлифовальных кругов, головок, сегментов, брусков. Естественные абразивные материалы (наждак, кварцевый песок, корунд) применяют ограниченно из-за неоднородности их свойств. В промышленности применяют в основном искусственные абразивные материалы: электрокорунды, карбиды кремния, карбиды бора, оксид хрома, синтетические алмазы, борсилокарбид, славутич, эльбор, гексагонит.

Абразивные материалы имеют высокие твердость, теплостойкость (1200—1800 °С) и износостойкость. Инструменты из абразивных материалов позволяют обрабатывать заготовки со скоростью резания 15—100 м/с. Инструменты из абразивных материалов используют главным образом для окончательного изготовления деталей, когда предъявляются повышенные требования к точности и шероховатости обработанных поверхностей.

Шлифовальные электрокорундовые инструменты применяют для обработки заготовок из материалов с высоким сопротивлением на разрыв. Инструменты из черного карбида кремния используют для обработки заготовок из материалов с низким сопротивлением на разрыв, а также из вязких металлов и сплавов. Инструменты из зеленого карбида кремния применяют для обработки и заточки твердосплавных и минералокерамических режущих инструментов. Порошок карбида бора используют для притирочных и доводочных работ, например, для доводки твердосплавных инструментов, а также для шлифования заготовок из очень твердых материалов (рубина, кварца, корунда). Для изготовления шлифовальных и полировальных паст применяют оксид хрома, венскую известь, трепел.

Борсилокарбид используют для обработки заготовок из твердых сплавов, рубина и других высокотвердых материалов. Эльбор (кубонит) применяют для обработки заготовок из высокотвердых материалов и конструкционных сталей. Инструменты из славутича не уступают алмазным по износостойкости и превосходят по прочности. Алмазы составляют особую группу материалов. В промышленности используют природные (А) и синтетические алмазы (АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС, ACM, ACH). Алмаз является самым твердым материалом, имеет высокую теплостойкость и износостойкость, у него практически не происходит слипания со многими материалами. Недостатком алмазов является их повышенная хрупкость. Алмазы используют для изготовления инструментов (круги, пилы, ленты, бруски) и доводочных порошков. Кристаллы алмазов применяют для оснащения режущих инструментов (резцов, сверл и др.). Масса единичных кристаллов, идущих на оснащение режущих инструментов, составляет 0,2—0,8 кар.

Наиболее широко используют алмазные резцы, которые применяют при тонком точении или растачивании деталей из сплавов алюминия, бронз, латуней и неметаллических материалов. Алмазный инструмент применяют для обработки заготовок из твердых материалов, германия, кремния, полупроводниковых и керамических материалов, жаропрочных сталей и сплавов. При использовании алмазных инструментов повышается качество поверхностей деталей. Обработку ведут со скоростями резания до 20 м/с. Поверхности деталей, обработанные в этих условиях, имеют низкую шероховатость и малое отклонение размеров, так как алмазы имеют высокую размерную стойкость.

СТМ на основе алмаза по технологии производства делятся на две группы: поликристаллы алмаза, получаемые фазовым переходом графита в алмаз, и поликристаллы, получаемые спеканием алмазных зерен. К первой группе относятся карбонадо (АСПК) и баллас (АСБ); ко второй — СВБН, карбонит и СКМ. Из СВБН изготовляют двухслойные заготовки диаметром до 4 мм и толщиной до 3 мм, которые припаивают к вершине твердосплавной пластины.

Поликристаллы впаивают в цилиндрические или прямоугольные вставки, которые закрепляют в инструменты механическим способом. Изготовляют токарные, проходные, подрезные и расточные резцы, кассетные регулируемые торцовые фрезы и другой инструмент.