Аксенов А. А. Технология конструкционных материалов

120

Следовательно, нарост оказывает благоприятное действие при черновой обработке, когда возникают большие силы резания, срезается толстый слой металла и выделяется большое количество теплоты. Нарост вреден при чистовой обработке, например при протягивании, нарезании резьбы, развертывании, так как приводит к снижению качества обработанной поверхности.

Наростообразование зависит от физико-механических свойств обрабатываемого металла, скорости резания, геометрических параметров режущего инструмента и других факторов. Наиболее интенсивно нарост образуется при обработке пластичных материалов. Считают, что наибольшее наростообразование при обработке пластичных металлов происходит при скоростях резания 0,3…0,5 м/с, а при скоростях резания до 0,2 м/с и свыше 1 м/с нарост на режущем инструменте не образуется.

Теплота и температура в зоне резания металла. Тепловыделение явля-

ется одним из физических процессов, сопровождающих стружкообразование, так как практически вся механическая работа, затрачиваемая на срезание припуска с заготовки, превращается в теплоту.

Теплота генерируется в результате упругопластического деформирования материала заготовки в зоне стружкообразования, трения стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента, трения задних поверхностей инструмента о поверхность резания и обработанную поверхность заготовки. Тепловой баланс процесса резания можно представить тождеством, Дж

при упругопластическом деформировании обрабатываемого материала; QП. П –

количество теплоты, выделяемой при трении стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента; QЗ. П – количество теплоты, выделяемой при трении зад-

них поверхностей инструмента о заготовку; qС – количество теплоты, отводи-

121

мой стружкой; qЗАГ – количество теплоты, отводимой заготовкой; qИ – количе-

ство теплоты, отводимой инструментом; qЛ – количество теплоты, отводимой в окружающую среду (теплота лучеиспускания).

В зависимости от технологического метода и условий обработки стружкой отводится 25…85 % всей выделившийся теплоты; заготовкой 10…50 %; инструментом 2…8 %.

Теплообразование отрицательно влияет на процесс резания. Нагрев инструмента до высоких температур 600…1000 0С вызывает структурные превращения в металле, из которого он изготовлен, снижение твердости инструмента и потерю режущих свойств. Также нагрев инструмента вызывает нарушение его геометрических размеров, что влияет на точность размеров и геометрическую форму обработанных поверхностей.

Для уменьшения отрицательного влияния теплоты на процесс резания обработку ведут в условиях применения смазочно-охлаждающих сред. В зависимости от технологического метода обработки, физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки и режущего инструмента, а также от режима резания используют различные смазочно-охлаждающие среды, которые делят на следующие группы:

–жидкости: водные растворы минеральных электролитов, эмульсии, растворы мыл; минеральные масла с добавлением фосфора, серы, хлора (сульфофрезолы), керосин и растворы поверхностно-активных веществ в керосине; масла и эмульсии с добавлением смазывающих веществ (графита, парафина, воска);

–газы и газообразные вещества: газы CO2, CCl4, N2; пары поверхностноактивных веществ; распыленные жидкости (туман) и пены;

–твердые вещества: порошки песка, парафина, петролатума, битума; мыльные порошки.

122

Чаще всего при обработке резанием применяют смазочно-охлаждающие жидкости. Обладая смазывающими свойствами, они снижают внешнее трение стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента и задних поверхностей инструмента о заготовку. Одновременно снижается работа деформирования и уменьшается количество теплоты, выделяющееся при резании. Смазывающее действие препятствует наростообразованию на рабочих поверхностях инструмента, в результате чего снижается шероховатость обработанных поверхностей заготовки.

Указанные положительные свойства смазочно-охлаждающих сред приводят к тому, что эффективная мощность резания уменьшается на 10…15 %; стойкость режущего инструмента возрастает, обработанные поверхности заготовок имеют меньшую шероховатость и большую точность, чем при обработке без применения смазочно-охлаждающих средств.

Изнашивание лезвий режущих инструментов. Трение между стружкой и передней поверхностью лезвия инструмента и между его главной задней поверхностью и поверхностью резания заготовки вызывает износ режущего инструмента. В условиях сухого и полусухого трения преобладает абразивное изнашивание инструмента. Высокие температуры и контактные давления вызывают следующие виды изнашивания: окислительное – разрушение поверхностных оксидных пленок; адгезионное – вырывание частиц материала инструмента стружкой или материалом заготовки вследствие их молекулярного сцепления; термическое – структурные превращения в материале инструмента.

Износ инструмента приводит к снижению точности размеров и геометрической формы обработанных поверхностей.

Работа затупившимся инструментом вызывает рост силы резания. Соответственно, увеличиваются составляющие силы резания, что вызывает повышенную деформацию заготовки и инструмента и еще более снижает точность и форму обработанных поверхностей заготовок. Увеличиваются глубина наклепанного поверхностного слоя материала заготовки и силы трения между заго-

123

товкой и инструментом, что, в свою очередь, увеличивает теплообразование в процессе резания.

Общий характер износа режущего инструмента показан на примере токарного резца (рис. 6.10). При износе резца на передней поверхности лезвия об-

разуется лунка шириной b, а на главной задней поверхности – ленточка шири-

ной h . У инструментов из разных материалов и при разных режимах резания преобладает износ по передней или главной задней поверхности. При одновре-

менном износе по этим поверхностям образуется перемычка f .

Количественное выражение допустимого износа называют критерием износа. За критерий износа принимают в большинстве случаев износ инструмента по главной задней поверхности h . Для токарных резцов из быстрорежущей стали допустимый износ h =1,5…2 мм, для резцов с пластинками твердого сплава h =0,8…1 мм, с минералокерамическими пластинками h =0,5…0,8 мм. Допустимому износу инструмента соответствует определенный период стойкости (стойкость).

Под стойкостью инструмента (Т) понимают суммарное время (мин) его работы между переточками на определенном режиме резания. Стойкость токарных резцов, зависящая от физико-механических свойств материала инструмента и заготовки, режима резания, геометрии инструмента и условий обработки, составляет 30…90 мин. Наибольшее влияние на стойкость оказывает скорость резания.

6.3 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Режущие инструменты работают в условиях значительных силовых нагрузок, высоких температур, трения и износа, поэтому инструментальные материалы должны обладать определенными эксплуатационными физикомеханическими свойствами. Материал режущей части инструмента должен

124

иметь большую твердость (она должна значительно превышать твердость материала обрабатываемой заготовки) и высокие значения допустимых напряжений на изгиб, растяжение, сжатие, кручение. Также инструментальные материалы должны обладать: достаточной вязкостью, чтобы воспринимать ударные нагрузки; высокой красностойностью – сохранять твердость при высоких температурах нагрева; достаточной износостойкостью. Материалы для изготовления инструментов должны по возможности иметь наименьшее процентное содержание дефицитных элементов.

Инструментальные стали. Для изготовления инструментов применяют качественные (У10, У12) и высококачественные стали (У10А, У11А, У12А). После термической обработки стали имеют твердость 60,0…62,0 HRC и красностойкость 200…240 0С. Допустимые скорости резания не превышают 0,2…0,3 м/с. Из этих сталей изготовляют метчики, плашки, ножовочные полотна, сверла и зенкеры малых диаметров.

Легированные инструментальные стали (легированные хромом, вольфрамом, ванадием, кремнием и другими элементами) после термообработки имеют твердость 62,0…64,0 HRC и красностойкость 220…260 0С. Легированные стали по сравнению с углеродистыми имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии, более высокую прокаливаемость, меньшую склонность к деформациям и появлению трещин при закалке. Допустимая скорость резания 0,25…0,5 м/с. Стали 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 6ХС, 9ХС используются для изготовления протяжек, сверл, метчиков, плашек и разверток.

Быстрорежущие стали содержат 5,5…19 % W, 3,8…4,4 % С, 2…10 % Co и V. Для изготовления инструментов используют стали Р9, Р12, Р18, Р6М3, Р6М5, Р9Ф5, Р14Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф2. Быстрорежущие стали после термической обработки имеют твердость 62,0…65,0 HRC и красностойкость 600…640 0С и обладают повышенной износостойкостью, поэтому могут работать со скоростями резания до 2 м/с. Кобальтовые быстрорежущие стали применяют для обработки труднообрабатываемых материалов в условиях преры-

125

вистого процесса резания; ванадиевые –для изготовления инструментов, предназначенных для чистовой обработки (протяжки, развертки, шеверы); вольфрамомолибденовые – для инструментов, работающих в условиях черновой обработки и для изготовления протяжек, долбяков, шеверов, фрез.

Для экономии быстрорежущих сталей режущий инструмент изготовляют сборным или сварным. Режущую часть инструмента делают из быстрорежущей стали, которую сваривают с присоединительной частью из конструкционных сталей 45, 50, 40Х. Часто используют пластинки из быстрорежущей стали, которые приваривают к державкам или корпусам инструментов.

Твердые сплавы. Это твердый раствор карбидов вольфрама, титана и тантала (WC, TiC, TaC) в металлическом кобальте (Co). Твердые сплавы применяют в виде пластинок определенных форм и размеров, изготовляемых порошковой металлургией (пластинки предварительно прессуют, а затем спекают при температуре 1500…1900 0С).

Твердые сплавы делят на группы: вольфрамовую – ВК2, ВК3, ВК3М, ВК4, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25; титановольфрамовую – Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титанотанталовольфрамовую – ТТ7К12, ТТ10К8Б. Пластинки твердого сплава обладают твердостью 87,0…93,0 HRC, высокими износостойкостью и красностойкостью (800…1250 0С), что позволяет вести обработку со скоростями резания до 15 м/с. Недостатком твердых сплавов является пониженная пластичность. Пластинки припаивают к державкам или корпусам инструментов медными, латунными припоями или крепят механическим способом.

Твердые сплавы группы ВК используют для обработки заготовок из хрупких металлов, пластмасс, неметаллических материалов; сплавы группы ТВК – для обработки заготовок из пластичных и вязких металлов и сплавов. Мелкозернистые твердые сплавы ВК6М применяют для обработки заготовок из труднообрабатываемых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, твердых чугунов, бронз, закаленных сталей, сплавов легких металлов, сплавов

126

титана, фарфора, керамики, стекла, ферритов. Трехкарбидные сплавы ТТК отличаются от групп сплавов ВК и ТВК повышенными износостойкостью, прочностью и вязкостью. Их применяют для обработки заготовок из труднообрабатываемых сталей аустенитного класса.

Синтетические сверхтвердые и керамические материалы. Высокая эффективность обработки заготовок на автоматических линиях, станках с ЧПУ, многоцелевых станках и гибких производственных модулях обеспечивается применением новых сверхтвердых материалов и керамики. В настоящее время инструментальная промышленность выпускает материалы на основе нитрида бора (композиты) и на основе оксида алюминия (керамика).

Существует большое разнообразие сверхтвердых материалов (СТМ) на основе плотных модификаций нитрида бора. Группы СТМ различают технологией производства, структурами и физико-механическими свойствами. В основном СТМ применяют для тонкой и чистовой обработки закаленных сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов.

Инструментальные керамические материалы, применяемые для чистовой и получистовой обработки, можно разделить на группы, различающиеся химическим составом, методом производства и областями рационального использования. Оксидная «белая» керамика (Al2O3 c легирующими добавками MgO, ZrO2 и др.) применяется для обработки незакаленных сталей и серых чугунов со скоростями резания до 15 м/с. Оксидно-карбидную «черную» керамику (60 % Al2O3, 20…40 % TiC, 20…40 % ZrO2 и другие карбиды тугоплавких металлов) применяют для обработки ковких, высокопрочных и отбеленных модифицированных чугунов и закаленных сталей. Керамика на основе нитрида кремния с легированием оксидами иттрия, циркония, алюминия, получаемая способами горячего прессования, применяется для обработки чугунов.

Основным направлением конструирования инструментов из СТМ и керамики является создание резцов и фрез с механическим креплением цельных и двухслойных круглых и многогранных режущих пластин.

127

Абразивные и алмазные материалы. Абразивные материалы – это мел-

козернистые порошковые вещества (химические соединения элементов), которые используют для изготовления абразивных инструментов: шлифовальных кругов, головок, сегментов, брусков. Естественные абразивные материалы (наждак, кварцевый песок, корунд) применяют ограниченно из-за неоднородности их свойств. В промышленности используют искусственные абразивные материалы: электрокорунды, карбиды кремния, карбиды бора, оксид хрома, синтетические алмазы, борсилокарбид, славутич, эльбор, гексагонит.

Абразивные материалы имеют высокие твердость, красностойкость (1800…2000 0С) и износостойкость, т.е. используются скорости резания 15…100 м/с. Инструменты из абразивных материалов используют главным образом для окончательной обработки заготовок, когда к ним предъявляют повышенные требования по точности и шероховатости обработанных поверхностей.

Шлифовальные электрокорундовые круги применяют для обработки заготовок из материалов с высокой прочностью при разрыве. Инструменты из черного карбида кремния применяют для обработки заготовок из материалов с низкой прочностью при разрыве, а также из вязких металлов и сплавов; инструменты из зеленого карбида кремния – для обработки и заточки твердосплавных и минералокерамических режущих инструментов. Порошок карбида бора используют для притирочных и доводочных работ, например, для доводки твердосплавных инструментов, а также для шлифования заготовок из очень твердых материалов (рубина, кварца, корунда). Для изготовления шлифовальных и полировальных паст используют оксид хрома, венскую известь, трепел.

Борсилокарбид применяют для обработки деталей из твердых сплавов, рубина и высокотвердых материалов. Эльбор (кубонит) служит заменителем алмазов; его применяют для обработки заготовок из высокотвердых материалов и конструкционных сталей. Славутич – сверхтвердый материал; инструменты

128

из него не уступают алмазам по износостойкости и превосходят их по прочности.

Алмазы составляют особую группу материалов. В промышленности используют природные (марки А) и синтетические алмазы (марок АСО, АСР, АСВ и др.). Алмаз является самым твердым материалом, имеет высокие красностойкость и износостойкость, у него практически отсутствует адгезия с другими материалами. Недостаток – повышенная хрупкость. Их используют для изготовления алмазных инструментов (круги, пилы, ленты, бруски) и алмазных доводочных порошков. Кристаллами алмазов оснащают режущие инструменты (резцы, сверла). Масса единичных кристаллов, идущих на оснащение инструментов, составляет 0,2…0,8 карата (1 карат = 0,2 г).

Алмазные резцы наиболее широко используют при тонком точении или растачивании заготовок из сплавов алюминия, бронз, латуней и неметаллических материалов. Его также применяют для обработки заготовок из твердых материалов: германия, кремния, полупроводниковых материалов, керамики, жаропрочных сталей и сплавов. При использовании алмазных инструментов повышается качество поверхностных слоев деталей (низкая шероховатость и высокая точность размеров). Обработку ведут со скоростями резания до 20 м/с. СТМ на основе алмаза по технологии производства делят на две группы: поликристаллы алмаза, получаемые фазовым переходом графита в алмаз, и поликристаллы, получаемые спеканием алмазных зерен. К первой группе относятся карбонадо (АСПК) и баллас (АСБ); ко второй группе – СВБН, карбонит и СКМ.

129

7.МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ СТАНКИ

Ксовременным машинам и приборам предъявляют высокие требования по технико-эксплуатационным характеристикам, точности и надежности работы. Эти показатели обеспечиваются жесткими требованиями к размерам и качеству обработанных поверхностей деталей. Поэтому, несмотря на большие достижения технологии производства высококачественных заготовок, роль обработки резанием и значение металлорежущих станков в машиностроении непрерывно повышаются.

Русский академик А.В. Гадолин еще в 1878 г. предложил применять геометрический ряд частот вращения элементов коробок скоростей и подач. Основоположником науки о кинематике станков является проф. Г.М. Головин. Весьма ощутимы достижения отечественной школы в области создания агрегатных станков: динамические системы станков разработаны проф. В.А. Кудиновым, известны фундаментальные работы проф. Г.А. Шаумяна в области создания металлорежущих автоматов, признание получили труды проф. Д.Н. Решетова по расчету и конструированию металлорежущих станков.

Современные металлорежущие станки – это разнообразные и совершенные рабочие машины, использующие механические, электрические, электронные и гидравлические методы осуществления движений и управления рабочим циклом, решающие сложные технологические задачи. Станкостроение развивается как в количественном, так и в качественном отношении. Непрерывно повышаются точность, производительность, мощность, быстроходность и надежность работы станков. Улучшаются эксплуатационные характеристики, расширяются технологические возможности, совершенствуются архитектурные формы станков. Особое развитие получило использование в отраслях машиностроения станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Микропроцессорные устройства управления превращают станок в универсальный автоматизированный станочный модуль.