714

Проникающая способность СОТС. Чтобы проявить смазочное действие, среда должна проникнуть на контактные площадки между инструментом и заготовкой. Механизм проникновения СОТС до сих пор остается предметом научных дискуссий.

В книге В.Н. Латышева согласно взглядам различных авторов приведены четыре основные схемы поступления смазочного материала в контактную зону при резании металлов (рис. 95).

Проникновению жидкости в зону резания способствуют периодические процессы срыва и образования частиц нароста. В момент отрыва частиц нароста на мгновение образуются вакуумные пустоты, которые заполняются жидкостью (см. рис. 95, а). Так как трущиеся поверхности обычно имеют значительную шероховатость, то в местах соприкосновения выступов давления очень велики, а в пустотах также образуется вакуум. Частицы смазочных веществ засасываются в пустоты и проникают в микротрещины.

Рис. 95. Схемы поступления смазочного материала в контактную зону при резании металлов: а – через сеть капилляров между поверхностями стружки и инструмента; б – за счет образования полостей, вызванных периодическими срывами нароста; в – за счет нарушения плотности контакта вследствие колебаний инструмента и заготовки; г – в результате диффузии через на-

сыщенный дефектами деформируемый материал стружки

Н.В. Перцов и В.Н. Сердюк получили данные о том, что при определенных режимах резания проникновение смазочного материала в контактную зону происходит в форме поверхностной миграции (диффузии) поверхностно-активных молекул (см. рис. 95, г). Согласно данной модели, если даже на контактной поверхности раздела успела образоваться пленка хемосорбированного вещества, молекулы сма-

181

зочного материала способны мигрировать в виде плотного монослоя поверх этой пленки с достаточно большой скоростью, чтобы обеспечить смазочный эффект в среднем диапазоне скоростей резания.

Итак, вопрос о проникновении СОТС в зону резания продолжает обсуждаться, и даже, несмотря на отрицательные суждения ряда авторов на этот счет, выдвинутые вышеперечисленные гипотезы, большинство из которых подтверждены экспериментально, позволяют считать доказанным факт проникновения и наличия химического смазочного действия СОТС в пределах большей части площади контактного взаимодействия инструмент–заготовка.

3.2.3. Влияние СОТС на стойкость инструментов, силы резания и качество обработанной поверхности

Из ряда работ по исследованию влияния СОТС на стойкость инструмента известно, что среды при правильном их подборе с учетом физико-механических характеристик обрабатываемого и инструментального материалов, с учетом состояния и возможностей оборудования, на котором осуществляется обработка, и, самое главное, с учетом механизма их действия позволяют повысить стойкость инструмента от двух до пяти раз, а при использовании эвтектик из легкоплавких металлов на операциях сверления – в 10 раз и более. Это важнейшее свойство действия СОТС имеет исключительно большое значение для увеличения стойкости сложного дорогостоящего инструмента (червячных фрез, долбяков, протяжек, шеверов, твердосплавного инструмента и т.д.). Правильно подобранные среды повышают стойкость этих инструментов в 5…10 раз. Не менее важное значение имеют СОТС для работы автоматических линий, где важно обеспечить высокую размерную стойкость инструмента.

Охлаждающие свойства СОТС способствуют увеличению оптимальной скорости резания на 25…30 %, за счет чего на 20…40 % увеличивается производительность обработки, при этом стойкость режущего инструмента не уменьшается.

СОТС уменьшает усадку стружки и ослабляет ее зависимость от подачи и переднего угла. Уменьшая усадку стружки, среда способст-

182

вует тем самым уменьшению пластической деформации и снижению усилий резания на 20…30 %. В результате уменьшения усилий резания снижаются деформации отдельных частей станка, инструмента и детали, повышается точность обработки и уменьшается износ оборудования. Наконец, воздействуя на усилия резания, СОТС влияют тем самым на мощность, потребляемую станком. Можно считать, что СОТС снижают расход энергии, подводимой к станку, на 5…20 %, а это имеет большое практическое значение, поскольку парк станочного оборудования современных машиностроительных заводов огромен.

При механообработке, особенно в условиях развития гибких автоматизированных производств и безлюдной технологии, все более остро встает вопрос формирования стружки, удобной для отвода из зоны резания. Ученые, исследовавшие эту проблему, утверждают, что, облегчая пластическую деформацию обрабатываемого материала, СОТС способствуют образованию сливной стружки.

Имеющаяся взаимосвязь между явлениями трения, износа и характеристиками качества поверхности, формируемой при резании, позволяет сделать вывод, что применение СОТС, различных по составу и свойствам, оказывает существенное влияние на характеристики качества обработанной поверхности и, в первую очередь, на высоту микронеровностей, уменьшая их на 20…40 %, а также на параметры, характеризующие физическое состояние обработанного поверхностного слоя. Это проявляется в том, что при работе с СОТС уменьшаются глубина, степень упрочнения Н и микротвердость поверхностного слоя на 30…40 %.

Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод, что СОТС являются одним из резервов машиностроительных предприятий в деле повышения производительности труда, улучшения качества обрабатываемых деталей, повышения долговечности оборудования, экономии инструментальных материалов и электрической энергии.

183

Методы подачи СОЖ

Основным методом подачи СОЖ является полив сверху с расходом 15…20 л/мин. К другим методам относятся: подача под давлением; подача через тело инструмента; метод масляного тумана; подача со стороны задней поверхности инструмента. Все эти методы имеют свои преимущества и недостатки.

3.2.4. Рекомендации по применению СОТС

Правильный выбор СОТС может повысить период стойкости инструмента в 1,5…3 раза, снижает высоту микронеровностей до

1,5 раза (табл. 6).

Преобладающим видом изнашивания инструментов при обработке сталей и сплавов IV и V групп является адгезионно-усталост- ное (табл. 7). В этом случае необходимо применять СОТС с повышенной смазывающей способностью. При обработке сплавов VI группы преобладает абразивное изнашивание и, как следствие, часто применяются более дешевые и гигиенические водные СОТС.

Таблица 6 Рекомендации по выбору СОТС при обработке сталей II и III групп

Таблица 7

Рекомендации по выбору СОТС при обработке сталей и сплавов IV–VI групп

Правильный выбор СОТС может повысить период стойкости инструмента в 1,5…3 раза, снизить высоту микронеровностей в 1,5…2 раза. Характерной особенностью использования СОТС при обработке титановых сплавов является малая эффективность присадок, содержащих серу, азот, фосфор, поскольку эти элементы хорошо растворимы в титане. Гораздо более эффективны в качестве присадок галогены, и в первую очередь йод.

Контрольные вопросы и задания

1.Перечислите источники возникновения теплоты при точении. Что такое тепловой баланс?

2.Раскройтепонятия температурного поля и температурырезания.

185

3.Перечислите основные методы измерения температуры в зоне резания.

4.Как температура резания зависит от условий обработки?

5.Напишите эмпирическую формулу для подсчета температуры резания.

6.Каково назначение СОТС? Каковы требования к СОТС?

7.Приведите общую классификацию СОТС.

Глава 4 ИЗНОС И СТОЙКОСТЬ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

4.1. Краткие сведения об инструментальных материалах

4.1.1. Требования, предъявляемые к инструментальным материалам

Высокие эксплуатационные характеристики режущих инструментов в значительной степени зависят от качества материала, из которого эти инструменты изготовлены. Материалы, предназначенные для режущих инструментов, должны по ряду показателей значительно превосходить материалы, применяемые в машиностроении для изготовления различных деталей.

Основные требования к инструментальным материалам следующие.

1.Инструментальный материал должен иметь высокую твердость – в состоянии поставки или достигаемую в результате его термической обработки – не менее 63...66 HRC по Роквеллу (шкала С).

2.Высокая теплостойкость инструментального материала. Под теплостойкостью (красностойкостью) материала понимается его способность сохранять свои физико-механические свойства, в частности твердость, при высокой температуре.

3.Необходимо, чтобы при значительных температурах резания твердость поверхностей инструментов существенно не уменьшалась.

186

4.Высокая теплопроводность инструментального материала. Чем ниже теплопроводность, тем меньше теплоотдача и выше температура инструмента в процессе резания. Теплопроводность повышается с увеличением содержания в инструментальном материале компонентов с максимальной теплопроводностью.

5.Наряду с теплостойкостью, инструментальный материал должен иметь высокую износостойкость при повышенной температуре, т.е. обладать хорошей сопротивляемостью истиранию обрабатываемым материалом.

6.Важным требованием является достаточно высокая прочность инструментального материала. Если высокая твердость материала рабочей части инструмента сопровождается значительной хрупкостью, это приводит к поломке инструмента и выкрашиванию режущих кромок.

7.Инструментальный материал должен обладать технологическими свойствами, обеспечивающими оптимальные условия изготовления из него инструментов. Для инструментальных сталей это

хорошая обрабатываемость резанием и давлением; благоприятные особенности термической обработки (малая чувствительность к перегреву и обезуглероживанию, хорошие закаливаемость и прокаливаемость, минимальные деформирование и образование трещин при закалке и т.д.); хорошая шлифуемость после термической обработки.

8.Инструментальный материал должен обладать достаточной теплопроводностью.

9.Инструментальный материал должен иметь возможность об-

рабатываться в холодном и горячем состоянии.

10.Инструментальный материал должен быть экономичным. Для твердых сплавов первые два требования менее существен-

ны, но зато особое значение приобретает хорошая шлифуемость, а также отсутствие трещин и других дефектов, которые возникают в твердом сплаве после припайки пластин, при шлифовании и заточке инструмента.

187

4.1.2. Классификация инструментальных материалов, их маркировка и применение

К инструментальным материалам относятся:

–углеродистые инструментальные стали;

–легированные инструментальные стали;

–быстрорежущие стали;

–металлокерамические материалы (твердые сплавы);

–минералокерамические материалы;

–абразивные материалы;

–сверхтвердые материалы;

–алмазы.

Углеродистые и легированные инструментальные стали

Номенклатура инструментальных материалов разнообразна. Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов на-

чали применять углеродистые инструментальные стали марок У7,

У7А...У13, У13А. Помимо железа и углерода эти стали содержат 0,2...0,4 % марганца. Инструменты из углеродистых сталей обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200...250 °С) их твердость резко уменьшается. Инструменты из этих сталей должны применяться, когда температура резания не превышает 200 °С.

Из-за низкой режущей способности углеродистые стали марок У7…У9 используют для изготовления слесарных, деревообрабатывающих и кузнечных инструментов; У10А…У13А – для ручных режущих инструментов (напильники, метчики, развертки), а также для (машинных) инструментов, работающих на низких скоростях ре-

зания (V < 0,15…0,25 м/с).

Легированные инструментальные стали по своему химическо-

му составу отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца. Также они могут отличаться наличием одного

188

или нескольких легирующих элементов: хрома (увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость материала, понижает его пластичность); никеля (повышает прочность, пластичность, ударную вязкость, прокаливаемость материала); вольфрама (повышает твердость и теплостойкость материала); ванадия (повышает твердость и прочность материала, способствует образованию мелкозернистой структуры); кобальта (увеличивает ударную вязкость и жаропрочность материала); молибдена (повышает упругость, прочность, теплостойкость материала). Для режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами – лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонностью к короблению; но теплостойкость их практически равна теплостойкости углеродистых сталей (250 °С), поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, развертки).

Легированные стали имеют более высокие режущие свойства, чем углеродистые. Они более износостойки и меньше коробятся при термообработке. Стали применяются для изготовления штампов, режущего (сверл, плашек, фрез, метчиков, разверток, протяжек), измерительного и слесарного инструмента. Основные марки сталей – это 9ХС, ХВГ, ХВСГ, Х6ВФ и др. Наиболее распространены 9ХС и ХВГ. Недостаток стали 9ХС: плохо шлифуется (надиры на поверхности). Сталь ХВГ меньше коробится при термообработке, поэтому используется при изготовлении инструмента сравнительно большой длины и работающего с невысокими скоростями резания; это протяжки, длинные развертки, метчики и другой инструмент. Сталь Х6ВФ более износостойкая, поэтому ее целесообразно применять при изготовлении резьбонакатных роликов, ножовочных полотен и т.п.

Из инструментальных сталей наиболее широкое применение получили быстрорежущие стали.

189

Быстрорежущие инструментальные стали

Марки быстрорежущих сталей приведены в ГОСТ 19265–83. Быстрорежущие стали допускают большую (примерно в 2…3 раза) скорость резания по сравнению с легированными сталями. Из них изготавливают около 70 % лезвийных инструментов.

Из группы высоколегированных сталей для изготовления режущих инструментов используются быстрорежущие стали с высоким содержанием вольфрама, молибдена, кобальта, ванадия. Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы: на стали нормальной теплостойкости (Р9, Р12, Р18, Р6М3, Р6М5) и стали повышенной теплостойкости (Р9К5, Р9К10, Р12Ф3, Р10Ф5К5,

Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9М4К8).

К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамо-

вые Р18, Р12, Р9 и вольфрамомолибденовые Р6М5, Р6М3, Р8М3. Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63...66 НRС, предел прочности при изгибе 2900...3400 МПа, ударную вязкость 2,7...4,8 Дж/м2 и теплостойкость 600...650 °С. Указанные марки сталей получили наиболее широкое распространение при изготовлении режущих инструментов. Они используются при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс.

Быстрорежущие стали этой группы отличаются в основном процентным содержанием) W, V, Мо. Их износостойкость в 2 раза, а теплостойкость в 3 раза выше, чем у углеродистых инструментальных сталей.

Сталь Р9 рекомендуется применять для изготовления инструментов достаточно простой конфигурации из-за плохой шлифуемости. Стали Р12 и Р18 – для изготовления сложных и ответственных инструментов, таких как фасонные резцы, резьбообрабатывающие инструменты и зуборезный инструмент, а также протяжки и развертки.

Однако стали Р9, Р12 и Р18 имеют ограниченное применение из-за дефицита вольфрама. Поэтому в последние годы созданы быстрорежущие стали Р6М3 и Р6М5. В настоящее время производство

190