Учебное пособие 800349

для изготовления протяжек, долбяков, шеверов, фрез, метчиков, сверл

Разработаны и нашли практическое применение быстрорежущие стали высокой теплостойкости — стали с интерметаллидным упрочнением марок В11М7К23, В4М12К23 и др. Их теплостойкость достигает 700…725°С, а вторичная твердость составляет 68…69 HRC. Данные стали используют для точения, строгания и фрезерования труднообрабатываемых материалов.

Преимущества инструментов, изготовленных из сталей с интерметаллидным упрочнением, состоят в следующем: при обработке титановых сплавов их стойкость в 30…40 раз выше по сравнению со сталью Р18 и в 8…15 раз выше, чем инструментов, оснащенных твердым сплавом ВК8, а при резании аустенитных жаропрочных и нержавеющих сталей стойкость в 10…20 раз выше, чем инструментов из кобальтовых сталей. При обработке конструкционных сталей и чугунов преимущества рассматриваемых инструментальных сталей менее значительны и состоят в повышении стойкости в 3…4 раза по сравнению со сталью Р18.

При обработке труднообрабатываемых материалов находят применение порошковые быстрорежущие стали Р6М5-П и Р6М5К5- П. Высокие режущие свойства этих сталей определяются особой мелкозернистой структурой, способствующей повышению прочности, уменьшению радиуса скругления режущей кромки, улучшенной обрабатываемости резанием и в особенности шлифованием. Недостаток порошковых сталей — трудность получения высокой карбидной однородности.

Быстрорежущие стали изготавливают в виде проката, а также в виде режущих пластин, которые наваривают на стальной корпус.

1.3. Твердые сплавы

Твердые (металлокерамические) сплавы. Их получают методами порошковой металлургии. Они содержат смесь зерен карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов и связывающих ма-

11

териалов. Стандартные марки твердых сплавов выполнены на основе карбидов вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC. Кобальт Со в составе твердых сплавов является цементирующей связкой.

Пластинки твердого сплава (HRA 86…92) обладают высокой износостойкостью и красностойкостью (800…1000°С), что позволяет вести обработку со скоростями резания до 800 м/мин.

Взависимости от состава карбидной фазы и связки обозначение твердых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В — вольфрам, Т — титан, вторая буква Т — тантал) и связку (буква К — кобальт). Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид вольфрама, определяется разностью между 100 % и массовой долей связки (цифра после буквы К). В двухкарбидных WC + TiC сплавах цифрой после буквы карбидообразующего элемента характеризуется массовая доля карбидов этого элемента, следующая цифра — массовая доля связки, остальное — массовая доля карбида вольфрама (например, сплав Т15К6 содержит 15 % TiC, 6 % Со и 79

%WC).

Втрехкарбидных сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и тантала. Цифра за буквой К — массовая доля связки, остальное — массовая доля карбидов вольфрама.

Стандартом ИСО выделены три группы (Р, К и М) применяемости твердосплавного режущего инструмента: Р — для обработки материалов, дающих сливную стружку; К — для обработки материалов, дающих стружку надлома; М — для обработки различных материалов универсальными твердыми сплавами.

Твердые сплавы обычно изготовляются в виде пластинок путем спекания при температуре 1500° С в электрических печах. Кроме готовых пластин выпускают также заготовки в соответствии с ОСТ 48-93—81; обозначение заготовок то же, что и готовых пластин, но с добавлением буквы 3.

Основное преимущество инструмента, оснащенного пластиной на твердого сплава, — это то, что его режущие свойства не уменьшаются при температуре нагрева до 800...900 °С. Поэтому такие ин-

12

струменты могут применяться для обработки твердых металлов, включая закаленные стали, и неметаллических труднообрабатываемых материалов. Недостаток твердых сплавов — их хрупкость.

Вязкость отдельных марок твердых сплавов (а следовательно, и их хрупкость) зависит от содержания кобальта (К): чем меньше массовая доля К, тем меньше вязкость. При увеличении в сплавах содержания кобальта в диапазоне 3...10 % предел прочности при поперечном изгибе, ударная вязкость и пластическая деформация возрастают. С ростом содержания кобальта в сплаве его стойкость при резании снижается, а эксплуатационная прочность растет.

Полученные закономерности положены в основу практических рекомендаций по рациональному применению конкретных марок сплавов. Так, сплавы типа ВК3, ВК4 применяют для инструментов на чистовых операциях, когда толщина срезаемых стружек невелика. При снятии стружек большого сечения применяют сплавы, содержащие повышенное количество кобальта, например ВК8, ВК10- М, Т14К8 и др. Однокарбидные сплавы группы ВК, как менее хрупкие, применяют при резании чугунов и других хрупких материалов.

Режущие свойства твердых сплавов зависят также от структуры. При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства сплавов в значительной мере определяются зернистостью карбидной фазы, главным образом средним размером зерен карбида вольфрама. Современные технологические процессы позволяют получить твердые сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может быть от долей микрометра до

10...15 мкм.

С увеличением размера зерен карбидовольфрамовой фазы сплава твердость, модуль упругости, сопротивление абразивному изнашиванию, стойкость при резании чугуна уменьшаются, а предел прочности при изгибе растет. Эта закономерность широко используется при создании сплавов различного назначения с заданными свойствами. В СССР первыми такими сплавами были мелкозернистые сплавы ВК3-М и ВК6-М, показавшие хорошие результаты при обработке твердых чугунов, закаленных и коррозионно-стойких

13

сталей, а также других труднообрабатываемых материалов. Кроме того, мелкозернистые сплавы с повышенным содержанием кобальта, например ВК10-М, применяют для оснащения цельнотвердосплавного мелкоразмерного инструмента: сверл, зенкеров, разверток и фрез различных типов.

Пластины твердых сплавов припаивают (или наклеивают) или прикрепляют механически к стальному корпусу. Наибольшее распространение получили сменные многогранные пластины со стружколомающими элементами, сформированными при прессовании или последующей их обработке.

Многогранные сменные пластины выпускаются как из стандартных марок твердых сплавов, так и из стандартных сплавов с покрытиями различными композитами: TiC, TiN, Al2O3 и др. Последние обладают в 2…3 раза большей стойкостью. Толщина покрытия стандартных марок твердых сплавов карбидом титана составляет 3…10 мкм. На стандартных марках твердого сплава, покрытого нитридом титана, подставляется маркировка КИБ, а к обозначению групп ISO — буква С.

Трехкарбидные сплавы, содержащие карбиды вольфрама, титана и тантала, отличаются повышенной износостойкостью, прочностью и вязкостью. Их применяют при обработке труднообрабатываемых сталей аустенитного класса.

Для обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе и титановых сплавов применяют пластины из твердого сплава группы ВК, не содержащие в своем составе титана. Сложнофасонный твердосплавный инструмент (относительно небольших размеров) изготовляют из пластифицированных заготовок, которые легко обрабатываются на металлорежущих станках. После обработки пластифицированные заготовки спекаются и затем подвергаются окончательной обработке: шлифованию, заточке, доводке.

Помимо стандартных твердых сплавов выпускаются также пластины из специальных сплавов. Сплавы этой группы обладают более высокими режущими свойствами. Обозначение сплава состоит из букв МС и трехзначного (для пластин без покрытий) или че-

14

тырехзначного (для пластин с покрытием карбидом титана) числа, например, МС 131, МС 1460. Первая цифра соответствует области применения сплава по классификации ИСО (1 — обработка материалов, дающих сливную стружку; 3 — обработка материалов, дающих стружку надлома; 2 — область обработки, соответствующая области М по ИСО); 2-я и 3-я цифры характеризуют подгруппу применяемости; 4-я цифра — наличие покрытия.

С целью экономии дефицитных элементов разработано и освоено изготовление безвольфрамового и маловольфрамового твердосплавного инструмента. Хорошие результаты при чистовой и получистовой обработке низколегированных и углеродистых сталей, цветных металлов на основе меди, чугунов, никелевых сплавов дают безвольфрамовые сплавы марок ТН20, КНТ16 (СССР). Фирма «Тошиба» (Япония) разработала маловольфрамовые твердые сплавы марок № 308, № 350, которые могут эффективно применяться при точении и фрезеровании на легких и средних режимах резания.

Получены положительные результаты испытаний отечественного маловольфрамового твердого сплава ТВ-4, разработанного Минцветметом, сплава КТ2С, созданного в ИПМ АН УССР, и др.

1.4. Минералокерамика

Минералокерамические инструментальные материалы обладают высокой твердостью (91...93 HRA), теплостойкостью (1200 °С), износостойкостью и неокисляемостью. Однако минералокерамика уступает металлокерамическим сплавам по теплопроводности и пределу прочности на изгиб.

Минералокерамика в основном используется для получистовой и чистовой обточки и расточки деталей из высокопрочных и отбеленных чугунов, закаленных сталей, а также из неметаллических материалов. При определенных условиях (в первую очередь при высокой жесткости системы станок — деталь — приспособление — инструмент) минералокерамику можно применять для чистового фрезерования.

15

Выпускают оксидную (белую), оксидно-карбидную (черную) и оксидно-нитридную керамику.

Оксидная керамика почти полностью состоит из окиси алюминия, ее получают путем прессования тонко измельченных частиц Аl2О3 с последующим горячим спеканием. Существуют марки оксидной керамики с улучшенными физико-механическими свойства-

ми, такие, как ВО13 (ζи = 40…50 кгс/мм2), ВШ-75 (ζи = 55…60

кгс/мм2) и др.

Оксидную керамику рекомендуется использовать для чистового и получистового точения нетермообработанных сталей, а также серых и ковких чугунов с твердостью НВ 200 и менее.

Оксидно-карбидная керамика имеет в своем составе кроме А12О3 легирующие добавки карбидов хрома, титана, вольфрама и молибдена. Благодаря этому ее прочность на изгиб значительно выше, чем у оксидной керамики, и достигает 65…70 кгс/мм2, при некотором снижении теплостойкости и износостойкости. Выпускаются следующие марки оксидно-карбидной керамики: В3, ВОК60 и ВОК63; эти виды керамики рекомендуется применять для чистового и получистового точения и фрезерования закаленных сталей (HRC 45 и более), серых чугунов (НВ 240), отбеленных чугунов (НВ 400…700), а также нержавеющих сталей.

Оксидно-нитридная керамика состоит из нитридов кремния и тугоплавких материалов с включением окиси алюминия и других компонентов. К этой группе относятся силинит-Р и кортинит ОНТ20.

Силинит-Р обладает такой же прочностью на изгиб, как и ок- сидно-карбидная минералокерамика (ζи = 49…68 кгс/мм2), но большей твердостью (HRA 94…96) и стабильностью свойств при высокой температуре. Он не взаимодействует в процессе резания с большинством сталей и сплавов на основе алюминия и меди, т. е. не подвергается адгезионному износу. Из этого материала изготавливают как напайные, так и неперетачиваемые механически закрепляемые пластины.

16

Силинит-Р позволяет заменять вольфрамосодержащие твердые сплавы на операциях получистового и чистового точения различных материалов. При обработке закаленных сталей его применение может заменить шлифование.

Благодаря высокой твердости силинит-Р превосходит по стойкости твердые сплавы при обработке закаленных сталей.

Рекомендуемые режимы резания при точении стали и чугуна представлены в таблице 2.

Таблица 2

Инструментом, оснащенным пластинами из кортинита, рекомендуется обрабатывать закаленные стали HRCэ 30…55, ковкие чугуны, модифицированные и отбеленные чугуны, а также термоулучшенные стали. Режимы обработки такие же, как и для оксиднокарбидной керамики.

Режущая керамика выпускается в основном в виде многогранных неперетачиваемых пластин — трехгранных, квадратных, ромбических и круглых.

Минералокерамический инструмент имеет незначительную склонность к схватыванию с обрабатываемым материалом, что особенно ценно при обработке жаропрочных сплавов. К недостаткам минералокерамического инструмента относится повышенная хрупкость.

17

1.5. Сверхтвердые материалы

Для изготовления лезвийного инструмента в настоящее время применяются три вида сверхтвердых материалов (СТМ): природные алмазы, поликристаллические синтетические алмазы и композиты на основе нитрида бора.

Природные и синтетические алмазы обладают такими уникальными свойствами, как самая высокая твердость (HV 10000 кгс/мм2), весьма малые коэффициент линейного расширения и коэффициент трения и высокие теплопроводность, адгезионная стойкость и износостойкость.

Недостатками алмазов являются невысокая прочность на изгиб, хрупкость и растворимость в железе при относительно низких температурах (750°С), что препятствует использованию их для обработки железоуглеродистых сталей и сплавов на высоких скоростях резания, а также при прерывистом резании и вибрациях.

Природные алмазы используются в виде кристаллов, закрепляемых в металлическом корпусе резца.

Синтетические алмазы марок АСБ (баллас) и АСПК (карбонадо) сходны по своей структуре с природными алмазами. Они имеют поликристаллическое строение и обладают более высокими прочностными характеристиками.

Природные и синтетические алмазы нашли широкое применение в обработке медных, алюминиевых и магниевых сплавов, баббитов, благородных металлов (золота, серебра, палладия, платины), титана и его сплавов, неметаллических материалов (пластмасс, текстолита, стеклотекстолита, органического стекла, прессованного и силицированного графита), а также твердых сплавов и керамики.

Синтетические алмазы по сравнению с природными имеют ряд преимуществ, обусловленных их более высокими прочностными и динамическими характеристиками. Их можно использовать не только для точения, но также и для фрезерования. Синтетические алмазы менее чувствительны к динамическим нагрузкам и позволяют вести обработку с большим сечением среза (глубиной и подачей).

18

Отечественной промышленностью поликристаллические алмазы выпускаются в виде пластин цилиндрической и сегментной форм диаметром до 6 мм.

Композит — новый сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора, применяемый для изготовления лезвийного режущего инструмента.

По твердости композит приближается к алмазу, значительно превосходит его по теплостойкости, более инертен к черным металлам. Это определяет главную область его применения — обработка закаленных сталей и чугунов. Однако композит может быть эффективно использован также при обработке легких и цветных сплавов и некоторых труднообрабатываемых материалов.

Промышленность освоила выпуск следующих основных марок СТМ: композит 01 (эльбор-Р), композит 02 (белбор), композит 05 и 05И, композит 10 (гексанит-Р) и композит 09 (ПТНБ-ИК).

Композиты 01 и 02 обладают высокой твердостью (HV 7500 кгс/мм2), но небольшой прочностью на изгиб (40…50 кг/мм2).Основная область их применения — тонкое и чистовое безударное точение деталей из закаленных сталей твердостью HRC 55…70, чугунов любой твердости и твердых сплавов марок ВК15, ВК20 и ВК25 (HRA 88…90), с подачей до 0,15 мм/об и глубиной резания 0,05…0,5 мм (максимальная глубина резания может достигать 1…1,5 мм). Скорость резания при обработке стали до 160 м/мин, при обработке высокопрочного чугуна до 400…900 м/мин, при обработке твердых сплавов до 12 м/мин.

Композиты 01 и 02 могут быть использованы также для фрезерования закаленных сталей и чугунов, несмотря на наличие ударных нагрузок, что объясняется более благоприятной динамикой фрезерной обработки

Режущие элементы из композитов выпускаются в виде пластин для неразъемного соединения со стальным корпусом, а также в виде круглых, трехгранных, квадратных, ромбических и шестигранных неперетачиваемых пластин для механического соединения.

19

1.6. Абразивные материалы

Абразивные материалы используются для изготовления абразивных инструментов (кругов, брусков и др.) и применяются в виде зерен, которые являются режущими, а поэтому должны обладать высокой твердостью, теплостойкостью и хорошо дробиться при затуплении, чтобы образовывать новые острые кромки. Размеры зерен находятся в пределах от 2000 до 1 мкм (2000…160 мкм — шлифзерно; 120…30 мкм — шлифпорошки; 28 мкм и менее — микропорошки).

Естественные абразивные материалы, наждак и корунд, состоящие из окиси алюминия А12О3, сильно засорены посторонними примесями, малопроизводительны и в настоящее время для изготовления промышленных абразивных инструментов применяется редко.

Из искусственных абразивных материалов наиболее широко используются электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, синтетический алмаз и кубический нитрид бора (КНБ).

Электрокорунд представляет собой кристаллическую окись алюминия А12О3, является продуктом плавки бокситов и в зависимости от содержания окиси алюминия (от 92 до 99%) и способа изготовления подразделяется на электрокорунд нормальный (16А…12А), электрокорунд белый (25А…22А), электрокорунд хромистый (34А…32А), монокорунд (45А…43А), электрокорунд титанистый (37А). Наиболее высокой режущей способностью и прочностью зерен обладают электрокорунд титанистый, хромистый и монокорунд, применяемые при напряженных режимах шлифования.

Карбид кремния (SiC), или карборунд — результат спекания кварцевого песка с углеродом, выпускается в виде карбида кремния зеленого (64С…62С) с содержанием SiC не менее 98% и в виде карбида кремния черного (55С…52С) с содержанием SiC 95…97%. Карбид кремния зеленый более качественный, чем черный, и используется для заточки твердосплавных инструментов, а карбид

20