Методы повышения стойкости режущего инструмента
Рассматривают следующие методы повышения стойкости режущего инструмента:
Создание новых марок инструментальных материалов. Увеличение периода стойкости Т достигается при этом за счет повышения основных эксплутационных характеристик инструментального материала. Как видно из рис.64, использование инструментальных материалов, имеющих более высокую теплостойкость, повышает период стойкости инструмента.
Совершенствование конструкции режущего инструмента и оптимизация геометрических параметров режущей части инструмента. Повышение периода стойкости режущего инструмента обеспечивается за счет равномерного распределения силовых и тепловых нагрузок на режущих кромках инструмента, улучшение теплоотвода, подвода смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания и обеспечение достаточной прочности режущего клина инструмента. Например, применение инструментов с механическим креплением пластин обеспечивает больший период стойкости по сравнению с инструментом с напайными пластинами (рис.65); применение внутреннего охлаждения через тело инструмента, например, сверла, также ведет к повышению периода стойкости; использование метчиков с внутренними каналами способствует не только лучшему охлаждению инструмента, но и лучшему отводу стружки из зоны обработки, что вместе взятое увеличивает их период стойкости.
Применение смазочно-охлаждающей жидкости. Повышение периода стойкости режущего инструмента при использовании смазочно-охлаждающей жидкости обеспечивается за счет использования основных свойств жидкости: охлаждающего, смазывающего, моющего и режущего (более подробно влияние жидкости на износ инструмента будет рассмотрен ниже).
Повышение качества контактных площадок режущего инструмента. Повышение периода стойкости режущего инструмента за счет повышения качества его контактных площадок рассмотрим на примере трех методов.
.Уменьшение шероховатости контактных площадок режущего инструмента (доводка). Доводка контактных площадок инструмента осуществляется кругами из сверхтвердых материалов (алмазными – для доводки твердосплавных режущих инструментов, эльборовыми – для доводки быстрорежущего инструмента). Повышение периода стойкости инструмента при доводке обеспечивается за счет снижения трения на контактных площадках режущего инструмента и удаления с поверхности контакта различного рода дефектов (микросколов, микротрещин, рисок и т.п.), которые в процессе резания могут сыграть роль концентраторов напряжений и привести к преждевременному разрушению режущих кромок. Наиболее эффективна доводка для режущего инструмента из твердого сплава.
.Упрочнение поверхностного слоя режущего инструмента путем изменения его структуры и состава. Методы данной подгруппы наиболее эффективны для режущего инструмента из быстрорежущей стали. К данным методам можно отнести методы химико-термической обработки (ХТО), основанные на газо-фазовом, жидкостном и твердофазовом насыщении поверхностного слоя режущего инструмента (азотирование, цементация, цианирование и др.). В результате насыщения образуются диффузионные слои, кристаллохимическое строение которых отличается от основного материала (фазовый состав слоя, химический состав, твердость). В результате диффузионного насыщения образуются слои толщиной 10-40 мкм с повышенной твердостью. Методы ХТО обеспечивают повышение периода стойкости быстрорежущего инструмента в 1,5-2 раза. К методам данной подгруппы можно отнести также ионное азотирование, ионную имплантацию, электроискровое легирование, лазерную обработку и лазерное легирование.
Ионное азотирование осуществляется в два этапа и проводится в разряженной атмосфере: первый этап – очистка поверхности режущего инструмента от окисных и адсорбированных пленок в тлеющем разряде и нагрев режущего инструмента до требуемой температуры, второй этап – насыщение поверхности режущего инструмента ионами азота. Ионное азотирование имеет ряд преимуществ перед традиционным азотированием: высокая скорость насыщения, получение азотированных слоев с необходимыми свойствами и структурой, малые деформации режущего инструмента в процессе насыщения. Применение ионного азотирования позволяет увеличить период стойкости инструмента в 1,5-2,5 раза.
Ионная имплантация заключается в бомбардировке с высокой энергией поверхностных слоев режущего инструмента ионами различных металлов или газов. В результате такой обработки происходит изменение механических свойств поверхностного слоя инструмента и повышается его микротвердость. В качестве легирующих элементов используются тугоплавкие металлы (Ta, Ti, W, Zr) и различные газы (азот, аргон). К преимуществам ионной имплантации можно отнести низкую температуру процесса, что позволяет упрочнять мелкоразмерные инструменты и инструменты из низкотеплостойких сталей.
Электроискровое легирование заключается в том, что под действием электроискрового разряда малой мощности происходит перенос материала электрода на поверхность режущего инструмента. В качестве электродов используются твердые сплавы группы ТК, карбиды и нитриды тугоплавких металлов. Недостатки процесса: низкая производительность, высокая шероховатость поверхности Ra 3,2-6,3.
Лазерная обработка. В результате обработки лазером в поверхностных слоях инструмента образуется зона с особой макроструктурой («белая зона»), состоящая из нескольких слоев, причем один из этих слоев обладает высокой твердостью.
Лазерное легирование является комбинацией двух методов – электроискрового легирования и лазерной обработки.
К методам данной подгруппы можно отнести методы, направленные на улучшение свойств быстрорежущей стали путем устранения недостатков термообработки и вредных последствий заточки инструмента. Это охлаждение режущего инструмента в жидком азоте (удар холодом) и магнитно-импульсная обработка. Наличие остаточного аустенита в закаленной стали уменьшает твердость, прочность и теплостойкость инструментального материала, что приводит к снижению периода стойкости режущего инструмента. При охлаждении быстрорежущего инструмента в жидком азоте и при магнитно-импульсной обработке происходит снижение остаточного аустенита, что повышает указанные выше свойства стали.
4.3. Упрочнение поверхностного слоя режущего инструмента путем нанесения твердых износостойких покрытий. Главная задача нанесения покрытия создание композиционного инструментального материала с высокой износостойкостью поверхностного слоя (за счет нанесенного покрытия) и вязкой прочной основой. Покрытия следует наносить на те инструментальные материалы, которые обладают вязкой основой и имеют недостаточную поверхностную износостойкость. К таким инструментальным материалам относятся углеродистые, легированные и быстрорежущие стали, твердые сплавы группы ВК, ТТК и более прочные сплавы из группы ТК (например, сплав Т5К10). Для нанесения износостойких покрытий на режущий инструмента применяются методы химического (ХОП) и физического (ФОП) осаждения покрытий.
Методы химического осаждения покрытий. Методы ХОП являются высокотемпературными (температура процесса 1000°С) и применяются для нанесения покрытий на неперетачиваемые твердосплавные пластины и цельный твердосплавный инструмент. В качестве покрытий используются карбиды, нитриды и карбонитриды титана, оксид алюминия (TiC , TiN , TiCN , Al2O3). Применение методов ХОП позволяет повысить период стойкости режущего инструмента при обработке конструкционных сталей в 1,5-4 раза.
Методы физического осаждения покрытий. К данным методам относятся: метод КИБ (метод конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой), метод РЭП (реактивный электронно-лучевой плазменный), метод МИР (магнитронно-ионное распыление), метод МИРР (магнитронно-ионное реактивное распыление), метод ионного плакирования. Наибольшее распространение получил метод КИБ, который позволяет наносить покрытия как на быстрорежущий, так и на твердосплавный инструмент. Данным методом наносятся покрытия различного состава и конструкции – однослойные и многослойные на основе нитридов, карбидов, карбонитридов тугоплавких металлов (например, однослойные одноэлементные TiN, ZrN, CrN, многоэлементные (Ti,Mo)N, (Ti,Al)N), (Ti,Zr)N, многослойные TiN+TiCN+(TI,Zr)N и др.).