4. Материалы для изготовления режущего инструмента и требования, предъявляемые к ним

В настоящее время основными инструментальными материалами являются:

1. Инструментальные стали (углеродистые, легированные, быстрорежущие (БРС)) и дисперсионно-твердеющие стали.

2. Твердые сплавы.

3. Минералокерамика.

4. Сверхтвердые материалы (СТМ) (естественные и искусственные алмазы, материалы на основе кубического нитрида бора, например эльбор-р и др.).

Качество инструментов в существенной мере зависит от инструментального материала. Так, например, в результате применения новых инструментальных материалов примерно каждые 10 лет скорость резания возрастает в 2 раза (табл. 2).

Таблица 2

ИМЭ	Углеродистая сталь	БРС	Твёрдые сплавы	CTM	Минерало- керамика
Год изобретения	1900	1900	1930	1940	1950
Скорость резания, м/мин	5-7	20-40	100-250	700-900	1500-2000

Путь, проходимый резцом из быстрорежущей стали по обрабатываемому материалу (конструкционная сталь) до затупления, составляет около 8 км., из твердых сплавов – 20-50 км., из сверхтвердых материалов – 2500-3000 км.

На выбор инструментальных материалов влияют вид и тип инструмента, его размеры, условия его работы и технология его изготовления.

На технологию изготовления режущего инструмента большое влияние имеют технологические свойства инструментального материала в холодном и горячем состоянии. Одно из этих свойств – шлифуемость инструментального материала. Шлифуемость определяется отношением объема сошлифованного материала (Q_см) к объему изношенного при этом шлифовании шлифовального круга (Q_шк):

n = Q_см / Q_шк .

С достаточной для практики точностью установлена зависимость между шлифуемостью большинства марок быстрорежущих сталей и их химическим составом. Если принять шлифуемость быстрорежущей стали Р18 за единицу (n=1 – наилучшая шлифуемость), то шлифуемость для других марок быстрорежущих сталей расчетным путем можно определить по величине коэффициента K, определенного по формуле:

^,

где W - вольфрам, Мо - молибден, V - ванадий, N_b - ниобий, С - углерод (все элементы в процентах по массе, содержащейся в данной марке быстрорежущей стали). По табл. 3 по рассчитанному К можно определить шлифуемость БРС.

Таблица 3

K	7.8 – 18	7.5 – 7.8	6 – 7.5	3.5 – 6	1.7 – 3.5	0.2 – 1.7
n	0.9 – 1	0 шлифуемость уменьшается .7 – 0.85	0.6 – 0.7	0.45 – 0.6	0.3 – 0.45	0.2 – 0.3

Например, для быстрорежущей стали Р6М5Ф3 (W – 6,2%, Мо – 5,7 % ,

V – 2,5 %, N_b – 0% , С – 1%) К = 4,26, что примерно соответствует n = 0,5 т.е. шлифуемость этой стали хуже чем у стали Р18 в 2 раза.

На шлифуемость быстрорежущей стали кроме химического состава оказывают влияние размеры карбидов и их распределение по объёму металла. Например, у дисперсионно-твердеющих сталей Р6М5К5МП (МП - мелкий порошок), карбиды распределены равномернее по объему, чем у Р6М5К5, а размер карбидов составляет 2-3 мкм, тогда как у обычной быстрорежущей стали Р6М5К5 12-13 мкм. Вследствие этого шлифуемость дисперсионно-твердеющих сталей по сравнению с обычными сравнительно лучше. Марки сталей с низкой шлифуемостью, то есть при n < 0,4 – 0,6 не рекомендуется использовать для изготовления режущего инструмента: так как доля шлифовальных и заточных работ при изготовлении инструмента в технологическом процессе велика, то это приводит к значительному увеличению трудоемкости при изготовлении режущего инструмента; также возможно образование прижогов на шлифуемой поверхности этих сталей, что ведет к снижению стойкости режущего инструмента (доля стоимости шлифования и заточки в общей стоимости изготовления режущего инструмента составляет примерно 50-60%).

Требования к свойствам инструментального материала зависит от условий работы инструмента, например, сверла из быстрорежущей стали диаметром меньше 3 мм. выходят из строя вследствие их поломки в 50% случаев из-за возникающих у них напряжений изгиба и кручения.

Инструментальная сталь может поставляться в следующем виде: в виде прутков круглого, прямоугольного или квадратного сечений, листа, поковки, отливки, специальных профилей и биметаллических прутков.

По способу изготовления прутковую сталь подразделяют на кованую, горячекатаную, холоднотянутую шлифованную (серебрянка) и нешлифованную. Наименее точны по размерам заготовки из кованой стали. Поэтому их применяют для изготовления режущего инструмента крупных размеров, а наиболее точны по размерам – серебрянка.

Горячекатаные прутки имеют значительное отклонение по диаметру и геометрической форме. Их следует применять в единичном и серийном производстве на универсальном оборудовании с ручным закреплением заготовок в патроне или приспособлении.

Прутки холоднотянутые нешлифованные имеют хорошее состояние поверхности, малое отклонение от номинала по диаметру и форме, что позволяет существенно уменьшить припуски на последующую обработку режущего инструмента из этих заготовок.

Прутки холоднотянутые шлифованные (серебрянка) изготавливают 8 – 9 квалитета, на их поверхности отсутствует обезуглероженный слой, припуски минимальны или равны нулю. Однако серебрянка дорогая, поэтому её целесообразно использовать только в условиях крупносерийного или массового производств преимущественно малогабаритного режущего инструмента (диаметр меньше или равен 12 мм).

В настоящее время широко используется быстрорежущие стали Р6М5 и Р6М5К5, которые поставляются на заводы в отожженном состоянии с твердостью от 207 до 293 НВ.

Быстрорежущие стали проверяют на микроструктуру, карбидную неоднородность, обезуглероженность, теплостойкость, трещинообразование. Карбидная неоднородность характеризуется неравномерным распределением карбидов по объему материала, что резко снижает механические свойства быстрорежущей стали, повышает её склонность к трещинообразованию, выкрашиванию и поломке инструмента. Карбидную неоднородность проверяют путем сопоставления изготовленного шлифа с эталоном. Установлена 8-бальная шкала карбидной неоднородности (8-наихудшая). Режущий инструмент рекомендуется изготавливать с карбидной неоднородностью не выше шестого балла, а зуборезный, резьбонарезной и протяжки – в пределах 1-3 баллов. Карбидная неоднородность уменьшается путем увеличения числа проковок и уменьшения размеров заготовок.

Глубина обезуглероженного слоя не должна превышать 1% от диаметра заготовки, ±0,5 мм.