Технология конструкционных материалов

(карбиды, легирующие элементы, частицы нароста), находящимися в обрабатываемом материале.

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

Диффузионное изнашивание происходит в результате растворения инструментального материала в обрабатываемом, чему способствует высокая температура, большие пластические деформации и схваты­ вание в зоне контакта. При этом происходит диффузия отдельных элементов, входящих в состав инструментального материала, в обра­ батываемый материал. Наибольшее диффузионное изнашивание на­ блюдается у твердых сплавов.

Окислительное изнашивание происходит в связи с разрушением поверхностных слоев металла инструмента путем образования ок­ сидов.

Рассмотрим изнашивание режущего инструмента на примере то­ карного резца (рис. 22.16, о). При изнашивании резца на передней по­ верхности образуется лунка длиной /л, а на задней поверхности — площадка высотой й3, размеры которых зависят от материалов инст­ румента и заготовки и режимов резания.

Изнашивание по задним поверхностям наблюдается при обработ­ ке твердых, хрупких и пластичных материалов с малой толщиной сре­ заемого слоя (d < 0,1мм) на невысоких скоростях резания. Изнашива­ ние резца по главной задней поверхности изменяет глубину резания, так как уменьшается вылет резца на величину йр (рис. 22.16, б), в ре­ зультате чего обработанная поверхность получается конусообразной (рис. 22.16, в).

Изнашивание по передней поверхности наблюдается при обра­ ботке пластичных материалов с толщиной срезаемого слоя d > 0,5 мм на высоких скоростях резания без охлаждения. По мере изнашивания резца длина лунки /л увеличивается, что приводит к разрушению ре­ жущей кромки. Для восстановления геометрической формы инстру­ мент затачивают повторно.

За критерий затупления инструмента принимают допустимую вы­ сотуплощадки изнашивания по задней поверхности h3.Для токарных резцов из быстрорежущей стали допустимый А3 = 1,5...2 мм, для рез­ цов с пластиной из твердого сплава А3=0,8...1 мм, с минералокерами­ ческими пластинками А3 = 0,5...0,8 мм. Допустимому изнашиванию инструмента соответствует его определенная стойкость.

Глава 22. Классификация движений в станках и методов формообразования 471

Рис. 22.16. Изнашивание режущего инструмента:

а — общий характер износа; б —изнашивание по задней поверхности; в — влияние изнашивания на обрабатываемуюповерхностьдетали; г —зависи­ мостьизнашивания инструментаот времени егоработыпри различныхско­ ростях резания

Время резания новым режущим инструментом от начала резания ло отказа называется периодом стойкостирежущего инструмента. Стой­ кость токарных резцов составляет 30...90 мин и зависит от свойств ма­ териалов инструмента и заготовки, режима резания, геометрии инст­ румента. Наибольшее влияние на стойкость оказывает скорость реза­ ния. Кривую изнашивания (рис. 22.16, г) можно разделить на три периода:.0- А — период приработки, А—В — период нормального из­ нашивания, В—С — период катастрофического изнашивания. Чем выше скорость резания, тем быстрее начинается катастрофическое изнашивание, что вызвано возрастанием температуры в зоне реза­ ния. Междускоростью резания vи стойкостью Тпри заданном крите­ рии затупления, неизменных подаче и глубине резания существует за­ висимость

v, Т* = v2 Т2а =... = v„77 = const, или v = Cv ] T m.

Коэффициент С„и показатель относительной стойкости т зависят от свойств инструментального и обрабатываемого материалов, пло­ щади срезаемого слоя и охлаждения; их величины определяют по справочникам. Так как при точении величина т мала (0,1...0,4), то стойкость резцов резко падает даже при незначительном повышении скорости резания.

Изнашивание инструмента приводит к росту силы резания, что вы­ зывает повышенную деформацию заготовки и инструмента, снижая точность и изменяя форму обработанных поверхностей. При этом увеличиваются глубина наклепанного поверхностного слоя материа­ ла заготовки и силы трения между заготовкой и инструментом, что

всвою очередь увеличивает теплообразование в процессе резания.

22.5.Инструментальные материалы

Анализ физико-механических основ резания металлов показал, что режущий инструмент работает в условиях высоких давлений, темпе­ ратур и интенсивного трения. Эти условия работы обусловливают ряд требований, которым должны удовлетворять материалы, предназна­ ченные,для изготовления режущего инструмента. Рабочая часть ре­ жущего инструмента должна изготавливаться из недефицитного ма­ териала, имеющего большую твердость, высокие теплостойкость, износостойкость и механические характеристики. Теплостойкость яв­ ляется одной из важнейших характеристик инструментальных мате­ риалов. Она указывает на предельно допустимые значения темпера­ тур, при которых материал способен сохранять свою первоначальную твердость в течение длительного времени.

Твердостьуглеродистыхинструментальныхсталей марок У7, У7А, У8, У8А, У10, У10Аи др. после термообработки (закалки в воде и от­ пуска при температуре 120...150 °С) достигает 60...62 HRC3, тепло­ стойкость — 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), вольф­ рам (В), ванадий (Ф), кремний (С) и другие элементы. После термиче­ ской обработки твердость этих сталей составляет 63...66 HRC3, тепло­

Глава 22. Классификация движений в станках и методов формообразования 473

стойкость — 250...350 °С, допустимые скорости резания — 15...25 м/мин. Из легированных сталей марок X, 9ХС, ХВСГ, ХВ2, ХВ4 изготавлива­ ют сложные по конфигурации инструменты: метчики, плашки, про­ тяжки, развертки, фасонные резцы, фрезы, сверла и др.

В быстрорежущих сталях основными легирующими элементами являются вольфрам (6...18 %) и небольшое количество ванадия, хро­ ма, кобальта, молибдена. После термической обработки твердость этих сталей составляет 63...66 HRC3, теплостойкость — 650 °С.

Вся номенклатура быстрорежущих сталей подразделяется на две группы: быстрорежущие стали нормальной и повышенной теплостой­ кости. Из сталей первой группы (Р18, Р6М5) изготавливают резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки, зуборезные инструменты, а из сталей второй группы (Р9К5, Р18Ф2, Р9Ф5, Р18К5Ф2) — инструмен­ ты для обработки жаропрочных и титановых сплавов, коррозионностойких и других труднообрабатываемых материалов. В настоящее время применяются стали с пониженным содержанием дефицитного вольфрама (Р6М5К5, Р2М9К8), сохраняющие удовлетворительные режущие свойства.

Режущие свойства инструмента, изготовленного из быстрорежу­ щей стали, можно повысить путем нанесения износостойких покры­ тий из хрома, карбидов вольфрама или титана, а также лазерной обра­ боткой, электроискровым упрочнением.

Твердые сплавы — это материал, состоящий из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, связанных ме­ таллическим кобальтом. Твердые сплавы применяют в виде пластин определенной формы и размера, изготавливаемых методом порош­ ковой металлургии, т. е. прессованием и последующим спеканием при температуре 1500... 1900 °С. Пластины припаивают к державкам и корпусам инструментов или крепят к ним механическим спосо­ бом. Твердые сплавы обладают высокой износостойкостью, твердостью(86...92 НКА)итеплостойкостью(800...Ю00 °С). Твердые спла­ вы разделяют на три группы: вольфрамовые, содержащие карбиды вольфрама (ВК2, ВКЗ, ВКМЗ, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25); титановольфрамовые, содержащие кар­ биды вольфрама и титана (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В); титанотанталовольфрамовые, состоящие из карбидов титана, тан­ тала и вольфрама (ТТ7К12, ТТ7К15, ТТ8К6).

Основным недостатком твердых сплавов являются хрупкость и не­ достаточная прочность при изгибе и растяжении. Поэтому режущие

элементы инструмента надо располагатьтак, чтобы они по возможно­ сти работали на сжатие.

Твердые сплавы первой группы наиболее прочные, хорошо сопро­ тивляются ударным нагрузкам и используются для обработки чугунов, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов. Твердые сплавы второй группы менее прочны, но более износостойки, чем сплавы первой группы. Они находят применение при обработке пла­ стичных и вязких металлов и сплавов, углеродистых и легированных сталей. Трехкарбвдные твердые сплавы (третья группа) обладают по­ вышенной прочностью, износостойкостью и вязкостью. Они приме­ няются при обработке жаропрочных сталей, титановых сплавов и дру­ гих труднообрабатываемых материалов.

Режущие свойства твердых сплавов в значительной степени зави­ сят от их структуры. Так, твердые сплавы с мелкозернистой и особо­ мелкозернистой 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 содержащие дефицитного карбида вольфрама. Он заменяется карбидами титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов. Это сплавы марок ТМ1, ТМЗ, ТН-30, КТН-16, карбидохромистые твер­ дые 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 используют и монолитный твердосплавный инструмент, например отрезные фре­ зы, 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 темпе­ ратуре 1720...1750 °С, в связи с чем его называют электрокорундом.

Оксидная керамика обладает высокими твердостью (90...94 HRA) и теплостойкостью (до 1200 °С). Ее малое сродство с металлами ис­ ключает адгезионное взаимодействие с обрабатываемым материалом, вследствие чего при обработке не образуется нарост и достигается меньшая шероховатость поверхности (по сравнению с обработкой твердым сплавом). Недостатком оксидной минералокерамики явля­ ется ее низкая прочность и хрупкость. Инструмент, оснащенный пластинами из оксидной керамики, используют при чистовой и полу-

Глава 22. Классификация движений в станках и методов формообразования 475

чистовой обработке чугунов, сталей, некоторых цветных сплавов и неметаллических материалов со скоростями резания до 600 м/мин в условиях безударной нагрузки без охлаждения. Достаточно широ­ кое применение получила минералокерамика марок ЦМ-332 и В013.

Для повышения механической прочности в оксидную керамику добавляют различные тугоплавкие соединения (карбиды вольфрама, титана, молибдена, хрома). Такие материалы называются оксидно­ карбидной керамикой (марки ВЗ, ВОК-бО, ВОК-63, ВШ-75), из кото­ рой делаются многогранные и круглые пластины, применяемые для обработки ковких и высокопрочных чугунов, труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Самым твердым из известных инструментальных материалов яв­ ляется алмаз. Он обладает высокой износостойкостью, хорошей те­ плопроводностью, малыми коэффициентом трения и адгезионной способностью к металлам. Недостатками алмазного инструмента яв­ ляются большая хрупкость, высокая стоимость и дефицитность. Обра­ ботка таким инструментом характеризуется высокой размерной точ­ ностью, малой шероховатостью поверхности и повышенной произ­ водительностью (скорость резания значительно выше 100 м/мин). В промышленности используют природные (А) и синтетические (АС) алмазы. Последние выпускаются следующих марок: АСБ — баллас (АСБ-5, АСБ-6); АСПК-карбонадо (АСПК-1, АСПК-2, АСПК-3). Алмазный инструмент применяют для обработки твердых и полупро­ водниковых материалов, керамики, цветных сплавов, жаропрочных сплавов.

Впоследнее время широкое распространение получил синтетиче­ ский сверхтвердыйматериал на основе твердыхмодификацийнитрида бора. Он обладает высокой твердостью (уступает лишь синтетическо­ му алмазу) и теплостойкостью (до 1300 °С). Резцы, оснащенные этим материалом, применяют для тонкого точения закаленных сталей.

Впромышленности создан рад инструментальных материалов, ко­ торые называются композиционными (композитами). К ним относятся эльбор (композит 01), белбор (композит 02), гексанит (композит 10), композит 05 (состоит из кубического нитрида бора (КНБ) и А120 3), композит 09 (состоит из поликристаллов твердого нитрида бора —

ПТНБ).

Композиты изготавливают в виде цилиндрических столбиковдиа­ метром 16 мм и высотой 3...6 мм и крепят к державкам режущего ин­ струмента.

Глава 23

МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ СТАНКИ

23.1. Классификация металлорежущих станков

Металлорежущими станками называют технологические машины, предназначенные для обработки материалов резанием. Они должны обеспечивать заданные производительность, точность и качество об­ работанных поверхностей. Металлорежущие станки классифициру­ ются по технологическому методу обработки, назначению, степени автоматизации, числу главных рабочих органов, точности изготовле­ ния, особенностям конструкции и т. д.

По технологическому методу обработки станки делят в соответст­ вии с видом режущего инструмента, характером обрабатываемых по­ верхностей и схемой обработки. Это станки токарные, фрезерные, сверлильные, строгальные, шлифовальные и др.

По назначению станки делятся на универсальные, специализиро­ ванные и специальные. Универсальные станки предназначены для из­ готовления широкой номенклатуры деталей малыми партиями, их ис­ пользуют в единичном и серийном производствах. Эти станки сложны по конструкции и требуют высококвалифицированного обслуживания. Специализированные станки используют для изготовления больших партий деталейодноготипа в среднесерийном и крупносерийном про­ изводстве. Они требуют редкой переналадки и в большинстве случаев имеют высокий уровень автоматизации. Специальные станки приме­ няютдля обработки одной или нескольких малоразличающихся дета­ лей в условиях крупносерийного и массового производства. Эти стан­ ки обеспечивают наивысшую производительность, просты в наладке и имеют высокий уровень автоматизации.

По степени автоматизации станки разделяют на станки с ручным управлением, полуавтоматы, автоматы и станки с программным уп­ равлением.

По числу главныхрабочих органов различают станки одношпиндель­ ные, многошпиндельные, односуппортные, многосуппортные и т. д.

По конструкционным признакам выделяют станки с горизонталь­ ным или вертикальным расположением шпинделя и т. п.

жением заготовки (скорость резания) и поступательным движением режущего инструмента-резца (движение подачи). Движение подачи осуществляется параллельно оси вращения заготовки (продольная подача), перпендикулярно оси вращения заготовки (поперечная по­ дача), под углом к оси вращения заготовки (наклонная подача).

На вертикальных полуавтоматах, автоматах и токарно-карусель­ ных станках заготовка имеет вертикальную ось вращения, на станках других типов — горизонтальную ось вращения. На токарных станках выполняют черновую, получистовую и чистовую обработку поверх­ ностей заготовок.

Различают следующие разновидности точения:

□обтачивание — обработка наружных поверхностей;

□растачивание — обработка внутренних поверхностей;

□подрезание — обработка плоских торцевых поверхностей;

□отрезка — разделение заготовки на части, отделение готовой детали от заготовки;

□нарезание наружных и внутренних резьб и др.

23.2.1.Типы резцов

Обработка на станкахтокарной группы ведется резцами различныхти­ пов. Они классифицируются по материалу режущей части, характеру выполняемых операций, форме и расположениюлезвия, направлению движения подачи, назначению, конструкции.

По характеру выполняемых операций резцы бывают черновые и чис­ товые. Геометрические параметры режущей части этих резцов тако­ вы, что они приспособлены к работе с большой и малой площадью сечения срезаемого слоя.

По формеирасположениюлезвияотносительностержнярезцы под­ разделяются на прямые 1, отогнутые 2 и оттянутые 7(рис. 23.1). У от­ тянутых резцов ширина лезвия меньше ширины крепежной части.

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

По назначениютокарные резцы подразделяются на проходные 1...3, подрезные 4, расточные 5 и 6, отрезные 7, резьбовые 8, фасонные 9

и 10.

Проходные прямые и отогнутые резцы применяются для обработ­ ки наружных поверхностей. Для прямых резцов обычно главный

угол вплане(р = 45...60°, а вспомогательный угол в плане ф, = 10.. .15°. У проходных отогнутых резцов углы ф = ф, = 45°. Эти резцы работа­ ют как проходные с продольным движением подачи и как подрез­ ные с поперечным движением подачи.

Рис. 23.1. Токарные резцы:

1...3—проходные; 4 —подрезной; 5,6 —расточные; 7— отрезной; 8 — резь­ бовой; 9,10 —фасонные

Для одновременной обработки цилиндрической поверхности и торцевой плоскости применяют проходные упорные резцы. Для них главный угол в плане ф =90°. Эти резцы работают с продольным дви­ жением подачи.

Подрезные резцы применяют для подрезания торцов заготовок. Они работают с поперечным движением подачи инструмента по на­ правлению к центру или от центра заготовки.

Расточные резцы применяют для растачивания отверстий. Исполь­ зуют два типа расточных резцов: проходные — для сквозного растачи­ вания, упорные — для глухого растачивания. У проходных расточных резцов угол в плане ф = 45...60°, а у упорных — угол ф несколько боль­ ше 90°.

Отрезныерезцы применяют для разрезания заготовок на части, от­ резания обработанной заготовки и для протачивания канавок. Эти резцы работают с поперечным движением подачи. Отрезной резец имеет главную режущую кромку, расположенную под углом ф = 90°, и две вспомогательные с углами ф, = 1...2°. У стандартных отрезных резцов ширина режущей кромки составляет 3...10 мм.

Резьбовые резцы применяют для нарезания наружной и внутрен­ ней резьбы любого профиля. Форма режущих лезвий резьбовых рез­ цов соответствует профилю и размерам поперечного сечения нарезае­ мых резьб.