Материаловедение и технология конструкционных материалов

Отрицательное влияние нароста заключается в том, что он повышает шероховатость обработанной поверхности. Частицы нароста, внедрившиеся в обработанную поверхность, приводят к тому, что при контакте деталей наблюдается повышенное их изнашивание. Нарост меняет геометрию режущего инструмен­ та и, следовательно, в процессе резания размеры обрабатываемой поверхности в поперечных сечениях по длине заготовки меня­ ются, а обработанная поверхность получается волнистой.

Вследствие изменения переднего угла инструмента меняют­ ся силы резания, что вызывает вибрации узлов станка и инстру­ мента и ведет к снижению качества обработанной поверхности.

При черновой обработке, когда возникают большие силы ре­ зания, снимается толстый слой металла и выделяется значитель­ ное количество теплоты, явление наростообразования положи­ тельно, а при чистовой обработке оно отрицательно.

Наростообразование зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, скорости резания, геометрии режу­ щего инструмента и других факторов. Наиболее интенсивно нарост образуется при обработке пластичных материалов. При обработке же хрупких материалов нарост может и не образовываться.

21.4.6. Изнашивание и стойкость режущего инструмента

В процессе резания инструмент затупляется, теряет свои режу­ щие свойства. Изнашивание инструмента происходит в резуль­ тате трения сходящей стружки о переднюю поверхность резца и его задних поверхностей о поверхность заготовки. Механизм изнашивания инструмента достаточно сложен и включает в себя следующие виды изнашивания: абразивное, адгезионное, диф­ фузионное и окислительное.

Абразивное изнашивание происходит в результате истирания отдельных участков поверхностей инструмента твердыми вклю­ чениями (карбиды, легирующие элементы, частицы нароста), находящимися в обрабатываемом материале.

Адгезионное изнашивание происходит в результате действия сил молекулярного сцепления поверхностных слоев режущего инструмента и обрабатываемой заготовки.

Диффузионное изнашивание происходит в результате раство­ рения инструментального материала в обрабатываемом, чему спо­ собствует высокая температура, большие пластические деформа-

величину hp(рис. 21.16, б), в результате чего обработанная по­ верхность получается конусообразной (рис. 21.16, в).

Изнашивание по передней поверхности наблюдается при об­ работке пластичных материалов с толщиной срезаемого слоя d > 0,5 мм на высоких скоростях резания без охлаждения. По мере изнашивания резца длина лунки 1Лувеличивается, что приводит к разрушению режущей кромки. Для восстановления геометрической формы инструмент затачивают повторно.

За критерий затупления инструмента принимают допустимую высоту площадки изнашивания по задней поверхности h3. Для то­ карных резцов из быстрорежущей стали допустимый Л3 = 1,5...2 мм, для резцов с пластиной из твердого сплава Ла = 0,8...1 мм, с мине­ ралокерамическими пластинами Ла = 0,5...0,8 мм. Допустимо­ му изнашиванию инструмента соответствует его определенная стойкость.

Время резания новым режущим инструментом от начала ре­ зания до отказа называется периодом стойкости режущего ин­ струмента. Стойкость токарных резцов составляет 30...90 мин и зависит от свойств материалов инструмента и заготовки, режи­ ма резания, геометрии инструмента. Наибольшее влияние на стойкость оказывает скорость резания. Кривую изнашивания (рис. 21.16, г) можно разделить на три периода: 0-А — период приработки, А -В — период нормального изнашивания, В-С — период катастрофического изнашивания. Чем выше скорость резания, тем быстрее начинается катастрофическое изнашива­ ние, что вызвано возрастанием температуры в зоне резания. Между скоростью резания v и стойкостью Т при заданном кри­ терии затупления, неизменных подаче и глубине резания суще­ ствует зависимость

=v2T2m =... =vnT" =const, или v =CV/T m .

Коэффициент Cuи показатель относительной стойкости m за­ висят от свойств инструментального и обрабатываемого мате­ риалов, площади срезаемого слоя и охлаждения; их величины определяют по справочникам. Так как при точении величина m мала (0,1...0,4), то стойкость резцов резко падает даже при не­ значительном повышении скорости резания.

Изнашивание инструмента приводит к росту силы резания, что вызывает повышенную деформацию заготовки и инструмен­ та, снижая точность и изменяя форму обработанных поверхностей.

21. Классификация движений в станках и методов формообразования 575

При этом увеличиваются глубина наклепанного поверхностного слоя материала заготовки и силы трения между заготовкой и ин­ струментом, что в свою очередь увеличивает теплообразование в процессе резания.

21.5. Инструментальные материалы

Анализ физико-механических основ резания металлов пока­ зал, что режущий инструмент работает в условиях высоких дав­ лений, температур и интенсивного трения. Эти условия работы обусловливают ряд требований, которым должны удовлетворять материалы, предназначенные для изготовления режущего ин­ струмента. Рабочая часть режущего Инструмента должна изго­ тавливаться из недефицитного материала, имеющего большую твердость, высокие теплостойкость, износостойкость и механиче­ ские характеристики. Теплостойкость является одной из важней­ ших характеристик инструментальных материалов. Она указыва­ ет на предельно допустимые значения температур, при которых материал способен сохранять свою первоначальную твердость в течение длительного времени.

Твердость углеродистых инструментальных сталей марок У7, У7А, У8, У8А, У10, У10А и др. после термообработки (за­ калки в воде и отпуска при температуре 120...150 °С) достигает 60...62 HRC3, теплостойкость — 200 °С, допустимые скорости резания 15...13 м/мин. Инструментом, изготовленным из этих сталей, можно обрабатывать материалы с твердостью до 30 HRC3. Данные стали применяют для производства напильников, зубил, метчиков, плашек, ножовочных полотен, отверток, ножниц и т.д.

Легированные инструментальные стали содержат хром (X), вольфрам (В), ванадий (Ф), кремний (С) и другие элементы. После термической обработки твердость этих сталей составляет 63. ..66 HRC3, теплостойкость — 250...350 °С, допустимые ско­ рости резания — 15...25 м/мин. Из легированных сталей марок X, 9ХС, ХВСГ, ХВ2, ХВ4 изготавливают сложные по конфигу­ рации инструменты: метчики, плашки, протяжки, развертки, фасонные резцы, фрезы, сверла и др.

В быстрорежущих сталях основными легирующими элемен­ тами являются вольфрам (6... 18 %) и небольшое количество вана­ дия, хрома, кобальта, молибдена. После термической обработки

576 Раздел VI. Обработка резанием

твердость этих сталей составляет 63...66 HRC3, теплостойкость — 650 °С.

Вся номенклатура быстрорежущих сталей подразделяется на две группы: быстрорежущие стали нормальной и повышенной теплостойкости. Из сталей первой группы (Р18, Р6М5) изготав­ ливают резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки, зуборезные инструменты, а из сталей второй группы (Р9К5, Р18Ф2, Р9Ф5, Р18К5Ф2) — инструменты для обработки жаропрочных и титано­ вых сплавов, коррозионно-стойких и других труднообрабатывае­ мых материалов. В настоящее время применяются стали с пони­ женным содержанием дефицитного вольфрама (Р6М5К5, Р2М9К8), сохраняющие удовлетворительные режущие свойства.

Режущие свойства инструмента, изготовленного из быстроре­ жущей стали, можно повысить путей нанесения износостойких покрытий из хрома, карбидов вольфрама или титана, а также лазерной обработкой, электроискровым упрочнением.

Твердые сплавы — это материал, состоящий из высокотвер­ дых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, свя­ занных металлическим кобальтом. Твердые сплавы применяют в виде пластин определенной формы И размера, Изготавливаемых методом порошковой металлургии, т.е. прессованием и после­ дующим спеканием при температуре 1500... 1900 °С. Пластины припаивают к.державкам и корпусам инструментов или крепят к ним механическим способом. Твердые сплавы обладают высо­ кой износостойкостью, твердостью (86...92 HRA) и теплостойко­ стью (800. ..1000 °С). Твердые сплавы разделяют на три группы: вольфрамовые, содержащие карбиды вольфрама (ВК2, ВКЗ, 1|КМЗ, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, BK1Q, ВК15, ВК20, ВК25); титановольфрамовые, содержащие карбиды вольф­ рама и титана (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В); титано­ танталовольфрамовые, состоящие из карбидов титана, тантала и вольфрама (ТТ7К12, ТТ7К15, ТТ8К6).

Основным недостатком твердых сплавов являются хрупкость и недостаточная прочность при изгибе и растяжении. Поэтому режущие элементы инструмента надо располагать так, чтобы они по возможности работали на сжатие.

Твердые сплавы первой группы наиболее прочные, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам и используются для обра­ ботки чугунов, цветных металлов и их сплавов, неметаллических

21. Классификация движений в станках и методов формообразования 577

материалов. Твердые сплавы второй группы менее прочны, но более износостойки, чем сплавы первой группы. Они находят при­ менение при обработке пластичных и вязких металлов и сплавов, углеродистых и легированных сталей. Трехкарбидные твердые сплавы (третья группа) обладают повышенной прочностью, из­ носостойкостью и вязкостью. Они применяются при обработке жаропрочных сталей, титановых сплавов и других труднообра­ батываемых материалов.

Режущие свойства твердых сплавов в значительной степени зависят от их структуры. Так, твердые сплавы с мелкозернистой и особомелкозернистой структурой (ВК6-М, ВК6-ОМ) по своим режущим и физико-механическим свойствам превосходят все другие сплавы этой группы.

В последние годы разработаны твердые сплавы, не содержа­ щие дефицитного карбида вольфрама. Он заменяется карбидами титана с.добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов. Это сплавы марок ТМ1, ТМЗ, ТН-30, КТН-16, карбидо­ хромистые твердые сплавы КХН-20, КХН-30 и др. Безвольфрамовые твердые сплавы целесообразно применять при обработке низколегированных сталей и цветных металлов вместо сплавов Т30К4 и Т15К6.

Кроме твердосплавных пластин в промышленности исполь­ зуют и монолитный твердосплавный инструмент, например отрез­ ные фрезы, спиральные сверла, зенкеры, развертки небольших диаметров, фасонные резцы.

Синтетический материал, основой которого является корунд (А120 3), минерал кристаллического строения, относится к минералокерамике. Получают корунд из глинозема в электропечах спеканием при температуре 1720... 1750 °С, в связи с чем его на­ зывают электрокорундом.

Оксидная керамика обладает высокими твердостью (90...

94 HRA) и теплостойкостью (до 1200 °С). Ее малое сродство с металлами исключает адгезионное взаимодействие с обраба­ тываемым материалом, вследствие чего при обработке не образу­ ется нарост и достигается меньшая шероховатость поверхности (по сравнению с обработкой твердым сплавом). Недостатком оксидной минералокерамики является ее низкая прочность и хрупкость. Инструмент, оснащенный пластинами из оксидной керамики, используют при чистовой и получистовой обработке

По конструкционным признакам выделяют станки с горизон­ тальным или вертикальным расположением шпинделя и т.п.

По точности изготовления установлены пять классов стан­ ков: Н — нормальной, П — повышенной, В — высокой, А — особо высокой точности, С — особо точные (мастер-станки). Станки клас­ сов точности В, А и С обеспечивают требуемую точность изготов­ ления только при эксплуатации их в термоконстантных цехах, где поддерживаются постоянные температура и влажность.

По комплексу признаков разработана полная классификация металлореж ущих станков. В ней девять групп: 1 — токарные; 2 — сверлильные и расточные; 3 — шлифовальные, полироваль­ ные, доводочные и заточные; 4 — электрофизические и электро­ химические; 5 — зубо- и резьбообрабатывающие; 6 — фрезер­ ные; 7 — строгальные, долбежные и протяжные; 8 — отрезные; 9 — разные. Каждая группа станков делится на десять типов (подгрупп). По комплексной классификации станку присваива­ ется определенный шифр. Первая цифра означает группу станка, вторая — тип, следующая за первой или второй цифрами буква означает уровень модернизации или улучшения, далее следуют цифры, характеризующие основные размеры рабочего простран­ ства станка. Буквы, стоящие после цифр, указывают на модифи­ кацию базовой модели или на особые технологические возможно­ сти (например, повышенную точность). Например, станок 16К20П: цифра 1 означает токарную группу, 6 — токарно-винторезный тип, К — очередную модернизацию базовой модели, 20 — высо­ ту центров (200 мм), П — повышенную точность. Для станков с программным управлением (ПУ) в обозначение добавляют бу­ кву Ф с цифрой: Ф1 — с предварительным набором координат и цифровой индикацией; Ф2 — с позиционной системой числово­ го программного управления (ЧПУ); ФЗ — с контурной системой ЧПУ (например, 16К20ПФЗ); Ф4 — с универсальной системой управления ЧПУ. В обозначение станков с цикловыми система­ ми ПУ вводится буква Ц, а с оперативными системами ПУ — буква Г.

Обозначения для специальных и специализированных станков устанавливают заводы-изготовители, используя буквенные индек­ сы, закрепленные за каждым заводом.

22.2. Обработка на токарных станках

Технологический метод формообразования поверхностей за­ готовок точением характеризуется двумя движениями: враща­ тельным движением заготовки (скорость резания) и поступатель­ ным движением режущего инструмента-резца (движение подачи). Движение подачи осуществляется параллельно оси вращения за­ готовки (продольная подача), перпендикулярно оси вращения заготовки (поперечная подача), под углом к оси вращения заго­ товки (наклонная подача).

На вертикальных полуавтоматах, автоматах и токарно-кару- сельных станках заготовка имеет вертикальную ось вращения, на станках других типов — горизонтальную ось вращения. На то­ карных станках выполняют черновую, получистовую и чистовую обработку поверхностей заготовок.

Различают следующие разновидности точения:

□обтачивание — обработка наружных поверхностей;

□растачивание — обработка внутренних поверхностей;

□подрезание — обработка плоских торцевых поверхностей; а отрезка — разделение заготовки на части, отделение гото­

вой детали от заготовки; □ нарезание наружных и внутренних резьб и др.

22.2.1. Типы резцов

Обработка на станках токарной группы ведется резцами раз­ личных типов. Они классифицируются по материалу режущей части, характеру выполняемых операций, форме и расположению лезвия, направлению движения подачи, назначению, конструкции.

По характеру выполняемых операций резцы бывают черно­ вые и чистовые. Геометрические параметры режущей части этих резцов таковы, что они приспособлены к работе с большой и малой площадью сечения срезаемого слоя.

По форме и расположению лезвия относительно стержня резцы подразделяются на прямые 1, отогнутые 2 и оттянутые 7

(рис. 22.1). У оттянутых резцов ширина лезвия меньше ширины крепежной части.

По направлению движения подачи резцы разделяют на пра­ вые и левые. Левые работают с продольной подачей слева на­ право, правые — наоборот.