2.1 Инструментальные материалы, применяемые для изготовления лезвийного инструмента. Требования предъявляемые к ним

Эффективность работы режущего инструмента во мно­гом определяется свойствами инструментального материала. Впроцессе резания инструменты испытывают большие удельные нагрузки, подвергаются нагреву и износу поэтому инструментальные материалы должны обладать определенными физико-механическими и технологическими свойствами, из которых основными являются: твердость, прочность и пластичность, теплостойкость, теплопроводность, сопротивляемость схватыванию с об­рабатываемым материалом, износостойкость, а также закаливаемость и прокаливаемость (для инструментальных сталей), устойчивость против перегрева и окисления, свариваемость или способность к соединению пайкой, склонность к образованию трещин при пайке, шлифуемость. От указанных свойств этих материалов зависят такие важные технологические показатели, как производительность обработки резанием, стойкость, надежность, инструмента и др.

Практически не существует таких материалов, которые бы обладали одновременно высокой твердостью; прочностью, тепловыми характеристиками и т. д.

Для обеспечения качественной и высокопроизводительной об­работки инструментальные материалы должны отвечать основным сле­дующим требованиям:

1. Иметь высокие механические характеристики (твердость, прочность, ударную вязкость и др.).

Твердость. Чтобы внедриться в по­верхностные слои обрабатываемой за­готовки, материал режущих лезвий рабо­чей части инструментов должен иметь высокую твердость, т.е. осуществление процесса резания воз­можно в том случае, если твердость режущего инстру­мента значительно выше твердости обрабатываемого материала. Чем выше твердость инструмента, тем выше по стойкость и скорость резания. Твердость инструмен­тальных материалов может быть природ­ная, т. е. свойственная этому материалу при его образовании, и может быть по­лучена специальной обработкой.

С увеличением твердости повышается сопротивляемость инструмента механическому износу и более длительное время сохраняется острота режущей кромки. Однако не для всех инструментов и условий обработки целесообразно выбирать инструментальный мате­риал с наивысшей твердостью, так как с ее увеличением повышаются хрупкость и склонность к образованию трещин при пайке и заточке, ухудшается шлифуемость. Поэтому при выборе инструментального материала необходимо учитывать не только твердость, но и другие то свойства.

Твердость инструментальных материалов определя­тся с помощью прибора Роквелла или прибора ПМТ-3. Оценку твердости на первом приборе производят по шкале С (нагрузка на алмазный конус—150 кгс) или по шкале А (нагрузка—60 кгс) и обозначают соответственно HRC или HRA. На приборе ПМТ-3 твердость оценивается по методу Виккерса как частное от деле­ния нагрузки на боковую площадь отпечатка, измеряется в кгс/мм² и обозначается HV.

Прочность. В процессе резания на инструмент действуют силы, которые подвергают его сжатию; из-ибу, скручиванию и другим видам деформации. Способность инструмента сопротивляться деформации является очень важным свойством и характеризуется пределом прочности. Понятие прочности инструмента имеет двоякое значение: прочность режущих элементов, находящихся в зоне резания и подвергающихся воздействию сходящей стружки и образующегося тепла, и прочность не режущих элементов инструмента. В первом случае прочность характеризует такие режущие свойства инструмента, как сопротивление хрупкому и пластическому разрушению режущей части; во втором—жесткость, виброустойчивость и надежность инструмента - в целом.

2. Быть химически инертными к обрабатываемым ма­териалам.

Адгезионная стойкость — это устойчивость против схватывания. Низкая адгезионная стойкость ин­струментального материала приводит к увеличению ин­тенсивности износа инструмента, особенно при высоких температурах и давлениях в зоне резания.

3. Иметь высокую теплостойкость (сохранить твердость и износостойкость, а следовательно, и режущие свойства при высоких тем­пературах), теплопроводность и быть малочувствительными к циклическим колебаниям температуры.

Теплостойкость. Механические свойства инструментального материала изменяются под воздействием температуры резания. С увеличением температуры выше предельного значения твердость и прочность материала уменьшаются и достигают таких значений, когда инструмент начинает быстро размягчаться, изнашиваются и теряет свою режущую способность.

Температура, до которой инструментальный мате­риал сохраняет свою режущую способность, называется теплостойкостью'.

¹ В государственных стандартах на инструментальные и быст­рорежущие стали применяют термин «красностойкость», который идентичен с термином «теплостойкость». В основе термина «красностойкость» лежит физическое свойство металлов в нагретом до 600 °С состоянии излучать темно-красный свет. По сути своей термин «красностойкость» означает теплостойкость инструменталь­ных материалов.

Различные инструмен­тальные материалы имеют теплостойкость в широких пределах — от 220 до 1600 °С.

Учитывая, что температура режущего лезвия в зна­чительной мере зависит от скорости резания (повыша­ется с увеличением последней), материалы, имеющие большую теплостойкость, даже при равной твердости могут работать с более высокими скоростями резания и обрабатывать более твердые материалы.

Теплопроводность—этой свойство, влияющее на температуру режущего лезвия в процессе обработки. Чем выше теплопроводность, тем лучше отводится тепло из зоны контакта инструмента с обрабатываемым мате­риалом и тем меньше температура резания. Кроме того, материалы с большей теплопроводностью меньше склон­ны к образованию трещин при заточке и пайке.

Износостойкость. Взаимодей­ствие инструмента с обрабатываемым материалом протекает в условиях под­вижного контакта. При этом оба тела, образующих трущуюся пару, взаимно изнашивают друг друга. Изностойкость - это свойство инструмен­тального материала сопротивляться механическому, теп­ловому и химическому воздействию обрабатываемого материала в процессе резания. Важнейшими фактора­ми, влияющими на износостойкость, являются рассмо­тренные выше свойства—твердость, теплостойкость, теплопроводность, адгезионная стойкость.

1 — сталь 45 — быстрорежущие ста­ли;2—сталь 45—твердые сплавы под­группы ВТК;

3—чугун—твердые спла­вы подгруппы ВК

Рис. 2.1 - Зависимость изменения коэффициен­та трения от скорости скольже­ния для различных пар мате­риалов

Материал каждо­го из взаимодействующих тел обладает:

а) свойством истирать материал, с кото­рым он взаимодействует;

б) износостой­костью, выражающей способность мате­риала сопротивляться истирающему дей­ствию материала контртела.

Практиче­ский интерес при изучении процессов резания представляет износ лезвий инст­рументов. Изнашивание лезвий инстру­ментов происходит на протяжении всего периода их подвижного контакта с обра­батываемым материалом. В результате этого процесса лезвия теряют некоторую часть своей массы и на них отчетливо видны следы износа в виде нарушений формы рабочих поверхностей.

Износостойкость не является каким-либо неизменным свойством инструмен­тальных материалов и зависит от усло­вий резания. Износостойкость — это ко­личественное выражение работы сил тре­ния, затраченной на превращение неко­торой массы лезвия в продукт износа в конкретных условиях взаимодействия с определенным конструкционным ме­таллом.

4. Быть достаточно технологичными и относительно де­шевыми. Применяемые инструментальные материалы мож­но разделить на следующие основные группы:

1. углеродистые инстру­ментальные стали;

2. легированные инстру­ментальные стали;

3. быстрорежущие стали

4. твердые сплавы;

5. минералокерамика;

6. сверхтвердые материалы и алмазы.

Первые две группы имеют пока наибольшее применение. Однако в бли­жайшие годы опережающими темпами развивают производство инструментов из сверхтвердых материалов и керамики. Хим­ический состав и физико-механические свойства широко распрост­раненных инструментальных материалов представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Физико-механические свойства основных групп инструментальных материалов

Инструменталь-ный материал	Предел прочности на изгиб, кгс/мм'	Твердость		Теплостой­кость, °С	Теплопро­водность, Вт/м.°С
		HRA (HRC)	HV, кгс/мм'
Углеродистые стали	200—220 205-350 95-160 40-75 40-100 30	79-80 (62-64) 79-88 (63-68) 88-92 93-94 - -	650-780 750-1400 1400—1900 2000—2400 4000-7500 10000	200-250 620-730 800—1000 1000-1200 1200-1600 750	32 - 38 20 - 25 12 - 84 4,0 30 - 60 142,5
Быстрорежующие стали Твердые сплавы Минералокерамика
Сверхтвердые ма­териалы
Алмазы