2.3. Влияние режущего инструмента на загрузку оборудования

2.3.1. Общие положения

Одним из наиболее существенных факторов, определяющих эффективную работу оборудования, является режущий инструмент. Повышение стойкости инструмента сокращает время, затрачиваемое на его замену или подналадку, позволяет использовать более дешевые приборы контроля и диагностики. Если учесть, что время на установку и настройку инструмента доходит в некоторых случаях до 40 % времени работы станка, становится понятным то внимание, которое уделяется этому вопросу. На стойкость режущего инструмента оказы­вают наиболее существенное влияние следующие факторы:

оптимальная геометрия инструмента;

условия обработки, в т.ч. наличие СОЖ, динамические характеристики процесса и др.;

режим обработки, рекомендуемый для донных условий работы;

марка инструментального материала, рекомендуемая для данного обрабатываемого материала;

методы повышения стойкости режущего инструмента;

возможность применения новых инструментальных материалов.

Справочная литература /6, 7, 8/ дает достаточно разнообразные рекомендации по оптимальному использованию режущих инструментов. Поэтому в данном курсе рассмотрим лишь методы повышения стойкости режущего инструмента, доступные для их использования в условиях малых предприятий и новые инструментальные материалы, то есть информацию, основанную на положительном опыте, но еще недостаточно широко известную.

2.3.2. Повышение стойкости режущего инструмента

нанесением износостойких покрытий /8/

Широкое применение режущих инструментов с износостойкими покрытиями позволяет решать целый комплекс важнейших народнохозяйственных задач:

значительное повышение стойкости и надежности металлорежущего инструмента;

увеличение производительности процессов обработки деталей резанием;

сокращение удельного расхода дорогостоящих инструментальных материалов и остродефицитных элементов (вольфрам, тантал, кобальт, молибден) для их изготовления;

расширение эффективной области применения твердых сплавов и сокращение номенклатуры применяемых сплавов стандартных марок; улучшение качества поверхностного слоя и точности размеров обрабатываемых деталей;

улучшение процесса обработки сложнолегированных сталей и их сплавов;

повышение режущей способности инструментов, изготовленных из низколегированных материалов.

Существует большое число методов получения покрытий на рабочих поверхностях режущих инструментов. С учетом специфики протекания процессов формирования покрытий эти методы можно разделить на три основные группы.

К первой группе относятся методы, при которых формирование покрытий осуществляется преимущественно за счет диффузных реакций между насыщенными элементами и структурами инструментального материала.

Во вторую группу входят методы формирования покрытий по комплексному механизму. Покрытие образуется за счет реакций между парогазовыми стилями, состоящими из соединения металлоносителя, носителя второго компонента, служащего как газом-транспортом, так и восстановителем.

К третьей группе можно отнести методы формирования покрытий за счет химической и плазмохимической реакций потока частиц одновременно в объемах пространства, непосредственно примыкающего к насыщаемым поверхностям инструментального материала.

К методам первой группы относятся химико-термические методы образования покрытий (ХТМ), основанные на твердофазовом, жидкостном и газофазовом насыщении поверхностей инструмента. Сюда входят: электроискровое легирование; ионное азотирование в плазме тлеющего разряда; ионная имплантация; диффузное насыщение из твердой, жидкой или газовой среды. Методы ХТМ позволяют получить покрытие толщиной 10-40 мкм, что дает возможность увеличить стойкость различных типов инструментов из инструментальных углеродистых и быстрорежущих сталей в 1,5-2 раза. Среди методов ХТМ наибольшим преимуществом обладает ионное азотирование инструментов из быстрорежущих сталей. В этом случае возможно получение покрытий с минимальными деформациями инструмента при регулировании структурой и свойствами нитридных слоев. К методам первой: группы можно так же отнести метод термодиффузионного насыщения твердосплавных пластин плоской формы.

Ко второй группе методов относятся методы химического осаждения покрытий из парогазовой фазы (методы ХОП), получившие широкое распространение для нанесения покрытий на основе карбидов, нитридов, карбонитридов титана, а также окиси алюминия на многогранные неперетачиваемые твердосплавные пластины. Отличительной особенностью покрытий, полученных методом ХОП, является формирование переходной зоны между покрытием и твердым сплавом. Методы второй группы обычно реализуются при температуре 1000-1100 ⁰С, что исключает их использование для нанесения покрытий на инструменты из быстрорежущей стали. Используя методы второй группы, можно наносить покрытия на основе карбидов, нитридов и карбонитридов, применение которых позволяет повысить стойкость твердосплавных пластин в два-десять раз в широкой области применения.

К третьей группе методов могут быть отнесены методы физического осаждения покрытия (ФОП). Они включают вакуумное испарение тугоплавкого материала - образователя соединения покрытия и частичную или полную ионизацию. К методам ФОП относят: реактивное электронно-лучевое осаждение покрытия из пароплазменной фазы в вакууме (СЭП), активированное реактивное напыление (АRЕ), конденсация покрытия из плазменной фазы в вакууме с последующей ионной бомбардировкой (КИБ).

Метод КИБ, разработанный Харьковским физико-техническим институтом АН Украины, является наиболее распространенным не только среди методов ФОП, но и среди всех методов нанесения покрытий. Это связано с возможностью нанесения покрытий на различные твердосплавные и быстрорежущие инструменты. Метод КИБ универсален также с точки зрения нанесения различных композиционных многослойных покрытий, которые значительно эффективнее однослойных.

На промышленных предприятиях методы нанесения твердых износостойких покрытий получили достаточно широкое применение. Повышение стойкости инструмента и другой технологической оснастки в два-три раза достигнуто на очень крупных заводах. Однако внедрение этого метода на средних и небольших предприятиях затруднено из-за высокой стоимости оборудования. Представляется целесообразным в экономическом плане организовать на малых и средних предприятиях участки износостойкого покрытия с приобретением, например, установки "Булат". В то же время, использование методов по кооперации может оказаться достаточно эффективным. Однако предварительно следует использовать все возможности метода эпиламирования, который применительно к условиям малых и средних предприятий представляется более предпочтительным как в экономическом, так и в организационно-техническом планах.

Эпиламирование реализуется нанесением на поверхность режущего инструмента, а также деталей штампов и машин, специальных жидкостей - эпиламов. Эпиламы представляют собой композиции, состоящие из растворителя, в котором растворены поверхностно-активные вещества (ПАВ). Нанесение эпиламов на рабочие поверхности значительно снижают поверхностную энергию, способствуют перераспределению остаточных напряжений, замедлению роста микротрещин при динамических нагрузках. В зависимости от характера операций стойкость эпиламированного инструмента возрастает от двух до десяти раз.

2.3.3. Прогрессивные инструментальные материалы

Значительное повышение производительности обработки достигается благодаря использованию режущих инструментов, оснащенных поликристаллами сверхтвердых материалов (СТМ) на основе кубического (КНБ) и вюрциподобного (ВНБ) нитрида бора, синтетических алмазов (СА), а также керамикой /6/.

Выпускаются две группы инструментальных СТМ:

на основе нитрида бора - композиты;

на основе углерода - поликристаллические алмазы (АСПК) (карбонадо), АСБ (балласс) и др.

Композиты применяют для обработки чугунов и сталей, а инструмент из синтетических алмазов - для обработки цветных металлов и сплавов неметаллических материалов.

Внедрение инструмента из СТМ и керамики позволяет реализовать принцип концепции операций; усовершенствовать или полностью перестроить технологию обработки; уменьшить в два-десять раз основное время обработки; упростить технологический цикл, исключив или сократив по времени некоторые операции; улучшить качество обработанной поверхности.

Области применения композита разных марок определяются размерами и физико-механическими свойствами поликристаллов.

Композит 01 и композит 02 - поликристаллы из кубического нитрида бора применяют для чистового и точного безударного точения, торцевого фрезерования закаленных сталей к чугунов любой твердости с глубиной резания 0,05-0,5 мм.

Композит 05 - поликристалл, спеченный из зерен ННБ со связкой, применяют для черновой и чистовой безударной обработки закаленной стали любой твердости с глубиной резания до 3,0 мм, а также для торцевого фрезерования чугуна любой твердости, в т.ч. по корке с глубиной резания до 6,0 мм.

Композит 10 и двухслойные пластины из композита 10Д, представляющие собой композит 10 на твердосплавной подложке, рекомендуются для условий, аналогичных для композита 05, но допускающих ударные нагрузки.

Таким образом, композиты вполне могут обеспечить финишную обработку без применения шлифовальных станков.

Рациональные области применения керамики:

оксидная керамика ВО-13, ЦМ-332, ВМ-75 - для чистовой и получистовой обработки нетермообработанных сталей и серых чугунов;

оксидно-карбидная керамика ВОК-60, ВОК-63, В3.1 - для чистовой и получистовой обработки, в т.ч. и прерывистой ковки, отбеленных, модифицированных чугунов и закаленных сталей;

нитридная керамика - для получистовой обработки чугунов.

Правильный выбор материала режущей части инструмента, определение оптимальных условий его подготовки и эксплуатации - надежный фактор повышения эффективности работы оборудования.

3. ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЕГО ВЛИЯНИЕ

НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ОБОРУДОВАНИЯ