книги из ГПНТБ / Сучков, А. Е. Резервы экономии металла в машиностроении

Г л а в а V

ЭКОНОМИЯ МЕТАЛЛА

ВИНСТРУМЕНТАЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Всвязи с увеличением скоростей резания и примене­ нием труднообрабатываемых материалов роль инстру­ мента в металлообработке постоянно возрастает. Высо­ кая производительность и требуемая точность выпуска деталей могут быть обеспечены только тогда, когда ин­ струмент имеет высокую стойкость. Оптимальным счи­ тают, что твердость инструментального материала должна быть в 1,5—2 раза выше твердости обрабаты­ ваемой заготовки. Практически же часто приходится от­ ходить от оптимума. Наряду с этим доля стоимости инструмента в общей стоимости эксплуатации машин до­ ходит до 20—30%!, а иногда и выше. К сказанному нуж­ но добавить, что при изготовлении металлорежущего инструмента даже на специализированных заводах око­ ло 50%' металла идет в отходы.

Всовременном машиностроении применяется значи­ тельная номенклатура инструментальной и штамповой

оснастки, затраты на которую составляют до 8% сто­ имости выпускаемой продукции и больше. Производст­ вом инструментальной оснастки на машиностроитель­ ных заводах занято около 10% рабочих. Более 3/4 необ­ ходимой инструментальной оснастки, как правило, делают мелкими сериями непосредственно на самих ма­ шиностроительных заводах. Даже при массовом произ­ водстве продукции удельный вес покупного инструмента и технологической оснастки в общей их потребности со­ ставляет не более 10% . При этом чем крупнее производ­ ство, тем шире номенклатура используемой оснастки.

Специализированные предприятия станкоинструмен­ тальной промышленности из года в год наращивают темпы выпуска инструмента и технологической оснаст-

170

ки. Однако спрос па эту продукцию удовлетворяется далеко не полностью. Так, в 1971 г. предприятия Минтракторсельхозмаш СССР были обеспечены централи­ зованно инструментом и технологической оснасткой лишь на 14,2%. Все остальное им пришлось делать са­ мим. Свой инструмент оказался в несколько раз дороже.

Аналогичное положение имеет место и в маши­ ностроении Белоруссии. На режущий инструмент и технологическую оснастку в машиностроении и металло­ обработке БССР ежегодно расходуется около 25 тыс. т высоколегированных сталей, стоимость которых опреде­ ляется примерно в 35 млн. руб. Только на Минском трак­ торном заводе при годовой потребности инструменталь­ ной и штамповой оснастки на 8 млн. руб. покупной инст­ румент составляет около 6%; суммы затрат. Остальной инструмент и штамповую оснастку изготавливают у се­ бя. Себестоимость такой оснастки намного выше, чем при ее производстве на специализированных заводах.

Для нужд инструментального производства в СССР

изготовляется инструментальной и быстрорежущей ста­ ли примерно в 5 раз больше, чем в США. Это обуслов­ ливается большим объемом механической обработки металла и нерациональным использованием этих сталей.

Технический прогресс в машиностроении предъявля­ ет высокие требования к инструменту и технологической оснастке. Режущий инструмент должен обладать высо­ кой твердостью, прочностью, теплопроводностью, режу­ щей способностью и быть экономичным в эксплуатации. За последние годы созданы стойкие и твердые материа­ лы, которые оказывают большую помощь в решении сложных задач, особенно при обработке жаропрочных и труднообрабатываемых материалов с высокой точ­ ностью. Почти каждый новый материал имеет весьма узкую область применения. Это создает затруднения в разрешении проблем резания металла. Например, при обработке некоторых никелевых и титановых сплавов высокие скорости резания часто практически невозмож­ ны. Обрабатываемость некоторых марок таких материа­ лов не выше 10% по сравнению с обрабатываемостью углеродистых сталей. Поэтому развитие твердых спла­ вов должно идти по пути упрощения и сокращения чис­ ла композиций, каждая из которых удовлетворяла бы более широкую область применения.

171

Пути и методы экономии материала при производстве

долговечность и повысить надежность в работе, снизить расходы в производстве и эксплуатации. Таким образом, выявление источников экономии металла в инструмен­ тальном производстве — составная часть задачи по вы­ явлению резервов.

Современные режимы металлообработки, расшире­ ние области использования в машиностроении высоко­ прочных сталей и керамических материалов требуют от инструментальной промышленности создания прочного и износостойкого инструмента. Для достижения этих целей в настоящее время стремятся повысить твердость поверхности и сопротивляемости инструмента и оснаст­ ки, уменьшить трение между режущим инструментом и стружкой, затруднить наваривание металла на инстру­ мент, в особенности при высоких режимах резания.

Наиболее важной из сталей, потребляемой на режу­ щий инструмент, является быстрорежущая. В химиче­ ский состав этой стали входят дефицитные и дорого­ стоящие легирующие элементы, содержащие вольфра­ ма от 7,5 до 19%, хрома — 3,8—4,4, ванадия— 1,0—2,6

и молибдена 0,3—1,0%. Поэтому стоимость быстрорежу­ щей стали примерно в 12—20 раз выше стоимости обыч­ ных углеродистых сталей. Следовательно, экономия ее в процессе потребления приобретает большое народнохо­ зяйственное значение.

Характерной особенностью быстрорежущей стали является ее способность сохранять высокую твердость при нагреве до темно-красного каления. Иначе говоря, она обладает превосходной красностойкостью. Наличие в ней легирующих элементов увеличивает прокаливаемость инструмента, создает в стали весьма твердые прочные карбиды. Благодаря этим свойствам повыша­ ется сопротивляемость инструмента истиранию, увели­ чиваются его режущие свойства. Вот почему, несмотря на высокую стоимость, быстрорежущая сталь вот уже более 100 лет находит широкое применение в инструмен­ тальном производстве.

Металлургическая промышленность освоила выпуск большого количества марок быстрорежущей стали с

172

низким содержанием легирующих элементов, особенно вольфрама. Практика показывает, что стойкость инстру­ мента из таких сталей обычно составляет 90—95% по сравнению со стойкостью инструмента из быстрорежу­ щей стали марки Р18. Однако инструмент из таких за­ менителей быстрорежущей стали используется сравни­ тельно мало. Сложный и дорогой режущий инструмент делать из стали пониженного качества экономически не всегда целесообразно по той причине, что из общей себе­ стоимости инструмента затраты на него составляют 90%, стоимость самой стали — только 10%.

Для экономии дорогой быстрорежущей стали часто изготавливают составной инструмент, у которого из быстрорежущей стали делают только режущую (рабо­ чую) часть, а для крепежной части используют обычную конструкционную сталь 45 или близкую ей по составу.

Большое количество в обращении находится конце­ вого инструмента типа сверл, зенкеров, разверток, метчи­ ков. Их тоже целесообразно выпускать составными — из быстрорежущей и конструкционной стали. Заготовки режущей и хвостовой части инструмента из разнород­ ных сталей на специализированных заводах и в инстру­ ментальных цехах предприятий, как правило, соединя­ ют стыковой электросваркой на специальных машинах. Однако сварные соединения из быстрорежущей и конст­ рукционной сталей относятся к трудносвариваемым па­ рам. Поэтому нестабильность энергетического режима стыковой электросварки и наличие ручной подачи не обеспечивают высокого качества сварного шва, увели­ чивают припуски на обточку по диаметру и на угар по длине заготовок. Экономия дорогостоящей стали в этом случае может быть достигнута путем совершенствова­ ния технологии сварки. На передовых инструменталь­

соединения концевого инструмента диаметром от 10 до 40 и длиной заготовок до 200 мм.

Машины для сварки трением концевого инструмента внедрены более чем на 60 специализированных инстру­ ментальных и крупных машиностроительных заводах страны, в том числе на Минском инструментальном за­ воде и Вильнюсском заводе сверл. Опыт работы по но­

173

вой технологии показал, что прочность соединения обе­ их заготовок при сварке трением значительно выше, чем при контактной сварке. На заводе «Калибр» (Москва) внедрен автомат типа «МСТА-32» для сварки Т-образ­ ных соединений из одноименных и разноименных метал­ лов в условиях массового и крупносерийного производ­ ства. Рабочая и хвостовая части калибров ранее изго­ товлялись из сортовой конструкционной холоднотянутой шарикоподшипниковой стали марки ШХ-15, стоимость которой по сравнению с конструкционной сталью марки 45 на 50% выше. Благодаря применению сварки трени­ ем рабочую часть калибра стали делать из стали ШХ-15, а хвостовую — из обычной конструкционной стали. По старой технологии на вращающиеся центры токарного станка шла инструментальная сталь У8. С внедрением сварки трением на рабочую часть центров начали ис­ пользовать сталь У8, а на хвостовую — сталь марки 45. В результате частичной замены инструментальной и ша­ рикоподшипниковой стали на обычную конструкцион­ ную сталь только от применения одной машины для сварки трением годовая экономия на заводе составила около 20 тыс. руб.

Исследования, проведенные на Сестрорецком заводе им. Воскова, показали, что соединения быстрорежущей стали марки Р9 и Р18 со сталью марки 45, выполненные сваркой трением в сверлах и фрезах, выдерживают в сравнении с нормами гораздо большие скорости реза­ ния. В таком инструменте износ режущих кромок обыч­ но наступает раньше, нежели его разрушение.

На заводе «Фрезер» (Москва) выпускается мелкими сериями машина типа «МФ-327», предназначенная для сварки заготовок концевого инструмента в условиях ин­ струментальных цехов крупных машиностроительных заводов. Аналогичная машина типа «МСТ-35-2» выпу­ скается серийно Волковысским заводом литейного обо­ рудования для сварки деталей из углеродистых сталей диаметром от 10 до 70 мм.

Практика показывает, что традиционный способ прикрепления твердосплавной пластинки к стальной державке инструмента при помощи пайки ненадежен. Это объясняется тем, что при охлаждении в сцепляю­ щем слое из-за неодинаковых коэффициентов термиче­ ского расширения у карбидных пластинок и у стали воз-

174

пикают большие напряжения сжатия стали, которые нередко приводят к растрескиванию пластинки или раз­ рушению в месте спая. Учитывая эти особенности, в ме­ таллообработке все шире начинают применять инстру­ менты из металлокерамических твердых сплавов. В СССР выпускаются вольфрамо-кобальтовые и титано­ вольфрамовые металлокерамические твердые сплавы. При спекании сформованных изделий из такой смеси порошков происходит физико-химическое взаимодейст­ вие карбидов с металлами железной группы. В резуль­ тате образуется беспористый, твердый материал, кото­ рый с успехом используется для изготовления режущих пластин.

Решением этой проблемы заняты не только ученые и производственники нашей страны, но и многие зару­ бежные фирмы. Развитие производства твердых спла­ вов в США в настоящее время идет в направлении упро­ щения и сокращения числа композиций (марок твердых сплавов), каждая из которых дает возможность более широкой области применения. В США попытались де­ лать концевые фрезы из быстрорежущей стали с глубо­ ким покрытием твердым сплавом режущей кромки, на­ несенным с помощью лазера. Такое покрытие отличает­ ся достаточной твердостью и прочностью для чернового фрезерования закаленных стальных заготовок. Амери­ канской фирмой методом порошковой металлургии по­ лучена специальная прокладка из сплава железа с нике­ лем и карбидом с низким коэффициентом линейного расширения. Такие прокладки толщиной около 0,8 мм позволяют прикреплять пластинки из твердого сплава к

Этот метод соединения твердосплавных пластин с угле­ родистыми, быстрорежущими, нержавеющими и хроми­ стыми сталями способствует достижению высокой проч­ ности и надежности в эксплуатации.

Твердым сплавам присущи и серьезные недостатки. Кромка твердосплавного инструмента хрупка и це обла­ дает той прочностью, которая необходима для прерыви­ стого резания с большими сечениями среза при обработ­ ке вязких металлов. Кроме того, недостаточная жест­ кость поношенных станков приводит, как известно, к вибрациям, а из-за этого выкрашиваются режущие

175

кромки твердосплавного инструмента. Стоимость ин­ струмента, полученного из быстрорежущей стали мето­ дом порошковой металлургии некоторыми американ­ скими фирмами, очень высока.

За последние годы как у нас в стране, так и за ру­ бежом широкое распространение получило упрочнение поверхностного слоя режущего инструмента путем диф­ фузионного насыщения определенными элементами. Быстрорежущая сталь, идущая для изготовления стой­ ких инструментов, хорошо принимает азотирование, фосфатирование, сульфидирование и хромирование, что способствует повышению прочностных свойств готового инструмента. Диффузионным насыщением обычно обра­ батываются мелкие сверла, метчики, развертки, зенке­ ры, фрезы и круглые пилы.

Для создания определенных поверхностных слоев, уменьшающих износ, некоторые фирмы ФРГ обрабаты­ вают готовый режущий инструмент в атмосфере водяно­ го пара 30 мин. при температуре 520—580 °С. В резуль­ тате на поверхности инструмента образуется тонкая однородная устойчивая и плотная пленка магнетита тол­ щиной от 3 до 5 мк. Образовавшийся окисный слой уменьшает склонность инструмента к холодному прива­ риванию, препятствует разрушению режущей кромки мелкой стружкой, придает инструменту некоторую ше­ роховатость, что улучшает условия смазки и уменьшает его износ при эксплуатации. Азотирование готового ин­ струмента повышает твердость поверхности по Виккер­ су до 1200 кг/мм2. Снижение твердости упрочненного слоя инструмента наступает лишь при температуре на­ грева свыше 600 °С. При таком методе диффузионной обработки стойкость инструмента возрастает. На Мин­ ском тракторном заводе, например, в результате азоти­ рования деталей штамповой оснастки стойкость их уве­ личилась в 2 раза. Это дало возможность сэкономить 35 тыс. руб. в год.

На Минском автозаводе при лабораторных испыта­ ниях режущего инструмента, насыщенного серой, уста­ новлено, что сульфидирование увеличивает стойкость сверл, разверток, метчиков и резцов в 1,5—2 раза. При этом чистота поверхности деталей, обработанных таким инструментом, на 1—2 класса выше по сравнению с об­ работкой стандартным инструментом. Высокая износо­

176

устойчивость сульфидированного инструмента, как по­ казали исследования, объясняется образованием в его верхних слоях большой концентрации сернистых соеди­ нений. Опыт его эксплуатации свидетельствует о том, что сульфидирование предотвращает холодное привари­ вание и способствует уменьшению трения между режу­ щим инструментом и стружкой.

При фосфатировании на поверхности металла появ­ ляется слой фосфата железа, за счет чего увеличивается износоустойчивость инструмента. При диффузионном хромировании закаленного инструмента на его поверх­

струмента и штамповой оснастки на некоторых заводах нашей страны и в Белоруссии начинают использовать бор. Борирование весьма эффективно: оно обеспечивает поверхностную твердость от 1500 до 1800 единиц по Виккерсу. Поверхностное насыщение инструмента бо­ ром образует очень твердый слой, состоящий из карби­ да бора и борида железа. Так, на Луганском напильниковом заводе при содействии сотрудников Луганского машиностроительного института внедрен относительно простой и дешевый способ электролизного борирования деталей в расплавленной буре, что увеличило глубину упрочняющего поверхностного слоя от 0,15 до 0,25 мм. На Новомосковском металлургическом заводе борированию подвергают детали штамповой и инструменталь­ ной оснастки. Благодаря этому их стойкость в сравне­ нии с другими способами упрочнения повышается в 3—

показали также борированные фильеры из той же ста­ ли. Опыт этого завода подтверждает, что после бориро­ вания оснастки и инструмента, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях, повышается срок их служ­ бы и экономятся дорогостоящие и дефицитные стали.-

На Минском тракторном заводе борированию под­ вергается более 30 наименований фильеров. По старой технологии на фильеры шла сталь марки ХВГ, по но­ вой— сталь марки У8, стоимость которой на 35—40%

ниже стоимости стали ХВГ. Благодаря борированию стойкость фильеров увеличилась в 5—6 раз. Это привело

кзначительной экономии сталей.

Впоследнее время поиски наиболее эффективных методов покрытия режущего инструмента твердыми сплавами дали неплохие результаты. Ученые Сибирско­ го филиала Академии наук СССР разработали метод электроискрового покрытия режущей части инструмента твердыми сплавами, обеспечивающего высокую износо­ стойкость и надежность в эксплуатации.

На Минском тракторном заводе широкое распрост­ ранение получило армирование мерительного инстру­ мента твердыми сплавами, которые путем наплавки на­ носятся на поверхность элементов, подвергающихся большому износу. Такой метод упрочнения повышает

износостойкость скоб и калибров в 4—5 раз.

Для улучшения режущих свойств инструмента, как указывалось ранее, продолжительное время применяет­ ся традиционный способ наварки вольфрама на обыч­ ную конструкционную сталь. Покрытия получаются очень толстые и твердые, но чрезвычайно хрупкие, при­ водящие к удорожанию себестоимости инструмента, к снижению срока его службы. Недавно одной английской фирмой разработана технология покрытия режущих ин­ струментов и штампов твердым слоем вольфрама, повы­ шающая их износоустойчивость более чем в 10 раз. Этот способ покрытия, называемый электроразрядным, со­ стоит в том, что электрической дугой большой плотности от квадратного вольфрамового электрода отбиваются мельчайшие частицы, которые наплавляются на поверх ность стали. В результате на поверхности основного ме­

ской закалки быстрорежущей стали. Несмотря на то что закалка этим способом сложнее обычной и требует мно­ го времени, целесообразность ее оправдывается возмож­ ностью получения инструмента с повышенной пластич­ ностью и прочностью. Необходимость обработки инстру­ мента холодом вызывается тем, что после закалки с охлаждением до плюс 15—20° в структуре быстрорежу­ щей стали сохраняется большое количество остаточного аустенита, что понижает твердость и ухудшает режущие

178

свойства инструмента. Теория и практика подтверждают, что при дальнейшем охлаждении закаленной быстроре­ жущей стали до температуры минус 80—100° оставшийся аустенит превращается в мартенсит, что повышает твердость стали.

Для придания режущему инструменту большой прочности и износоустойчивости в быстрорежущую сталь, как уже указывалось, целесообразно вводить по­ вышенное содержание углерода, бора, ванадия, кобаль­ та и других элементов. Однако введение названных ком­ понентов резко снижает пластические свойства стали, повышает хрупкость и затрудняет процесс формования из нее инструмента обработкой давлением. При изготов­ лении режущего инструмента путем литья из быстроре­ жущей стали с повышенным содержанием легирующих элементов эти затруднения отпадают. Многочисленные исследования показывают, что при одинаковом химичес.-' ком составе режущий инструмент, отлитый из быстроре­ жущей стали и обработанный термически, по твердости и красностойкости равнозначен инструменту, сделанному из аналогичных быстрорежущих сталей методом обра­ ботки давлением. Износоустойчивость инструмента из литых быстрорежущих сталей выше, чем износоустой­ чивость инструмента из кованой стали.

Производство литого режущего инструмента впер­ вые в СССР было освоено на Уралмашзаводе во время Великой Отечественной войны. В последние годы этот прогрессивный метод с успехом применяется более чем в 90 инструментальных цехах машиностроительных и ин­ струментальных заводов страны. Используя опыт СССР, ЧССР, ГДР, ПНР также начали выпускать литой режу­ щий инструмент.

На Сестрорецком инструментальном заводе иссле­ дован ряд сталей для изготовления литого инструмента. Наиболее удачной из них оказалась сталь Р9Х2Ф2МГЛ, получившая индекс РЛ2. Прочностная характеристика

ее показана в табл. 42.

Сталь РЛ2 выплавляется в индукционных электро­