Порядок выполнения работы

1 Ознакомиться с основными физико-механическими характеристиками различных групп современных инструментальных материалов.

2 Для пяти примеров обработки в соответствии с полученными вариантами индивидуальных заданий выбрать рациональную марку инструментального материала, обосновать произведенный выбор на основе анализа физико-механических характеристик различных марок быстрорежущих сталей, твердых сплавов, минералокерамических и сверхтвердых материалов, приведенных в таблицах 1–4. В случае, если обработку целесообразно выполнять за 2 прохода (черновое и чистовое точение, черновое и чистовое фрезерование, сверление и рассверливание), выбор марки инструментального материала выполнить для каждого прохода в отдельности. При выборе марки инструментального материала отдавать предпочтение прогрессивным инструментальным материалам, в том числе быстрорежущим сталям повышенной и высокой теплостойкости, металлокерамическим твердым сплавам с улучшенной структурой и износостойкими покрытиями, режущей минералокерамике и сверхтвердым материалам, экономичным инструментальным материалам. Для разных примеров должны быть выбраны разные (неповторяющиеся) марки инструментальных материалов.

3 Произвести расчет значений подачи S и скорости резания v вручную или на персональном компьютере (например, в среде MathCad 2000), руководствуясь методикой расчета режимов резания, приведенной в работе [1]. Значение глубины резания следует принимать:

–  при черновом точении и фрезеровании с параметрами шероховатости окончательно обработанной поверхности R_z 80…R_z 40 – t = 5 мм;

– при точении с параметрами шероховатости окончательно обработанной поверхности R_z 20…R_а 3,2 (обработка за два прохода) – для первого прохода t = 2 мм, для второго прохода – t = 1 мм;

– при точении с параметрами шероховатости окончательно обработанной поверхности R_a 2,5…R_а 1,25 (обработка за два прохода) – для первого прохода t = 1 мм, для второго прохода – t = 0,5 мм;

–  при фрезеровании с параметрами шероховатости окончательно обработанной поверхности R_z 20…R_а 2,5 (обработка за два прохода) – для первого прохода t = 2 мм, для второго прохода – t = 1 мм;

–   при сверлении – t = 10 мм.

В случае, если обработка производится за 2 прохода, расчет режима резания следует выполнять для каждого прохода в отдельности.

4 На основании произведенного выбора инструментальных материалов для конкретных условий механической обработки сформулировать выводы о связи физико-механических характеристик и области рационального применения выбранных марок инструментальных материалов.

Основные теоретические сведения

Материалы, предназначенные для изготовления режущей части инструмента, должны по ряду показателей своих физико-механических характеристик значительно превосходить материалы, применяемые в  машиностроении для изготовления различных деталей. Основными требованиями, предъявляемыми к инструментальным материалам, являются следующие:

1 Высокая прочность. Недостаточная прочность приводит к  разрушению режущей части инструмента: хрупкому (выкрашиванию режущих кромок, сколу вершины, поломке лезвия) или пластическому (деформации текучести вершины инструмента).

2 Высокая износостойкость (т.е. высокая сопротивляемость истиранию обрабатываемым материалом). Недостаточная износостойкость приводит к быстрому затуплению режущего лезвия при абразивном, адгезионном, диффузионном или химическом механизме изнашивания.

3 Высокая технологичность (технологичность – комплекс свойств материала, обеспечивающих оптимальные условия изготовления из него инструмента). Для инструментальных сталей такими свойствами являются: хорошая обрабатываемость резанием и давлением; благоприятные особенности термической обработки (малая чувствительность к перегреву и обезуглероживанию, хорошие закаливаемость и прокаливаемость, минимальные деформирование и трещинообразование при закалке); хорошая шлифуемость после термической обработки. Для металлокерамических твердых сплавов, минералокерамических и сверхтвердых материалов определяющим требованием к технологичности является высокая шлифуемость.

Определяющими для работоспособности инструмента при его эксплуатации в процессе резания являются требования высокой механической прочности и износостойкости. В реальных физических условиях резания механическая прочность инструментального материала и, как следствие, эксплуатационная прочность инструмента определяются такими прочностными характеристиками, как предел прочности на изгиб (определяет сопротивляемость механическим нагрузкам при черновой и получистовой обработке с высокими значениями подачи и глубины резания) и ударная вязкость (определяет сопротивляемость ударным нагрузкам при низкой виброустойчивости процесса резания). Высокая износостойкость обеспечивается: а) высокой твердостью в состоянии поставки или достигаемой в результате термообработки (для  металлокерамических твердых сплавов, минералокерамических и сверхтвердых материалов информативной характеристикой твердости является микротвердость); б) высокой теплостойкостью (теплостойкость – способность материала сохранять высокую твердость при повышенных температурах и исходную твердость после охлаждения).

Разработанные и применяемые в настоящее время инструментальные материалы подразделяют на следующие большие группы:

1 Инструментальные стали (углеродистые, легированные, быстрорежущие).

2 Металлокерамические твердые сплавы.

3 Минералокерамические твердые сплавы.

4 Алмазы и синтетические сверхтвердые материалы.

Инструментальные стали нашли широкое применение при  изготовлении режущей части инструментов, работающих при  относительно низких скоростях резания и имеющих относительно сложную форму (сверла, зенкеры, развертки, фрезы различных типов, включая и червячные, протяжки и т. д).

Металлокерамические и минералокерамические твердые сплавы, алмазы и синтетические сверхтвердые материалы используют для изготовления режущих пластин, вставок и коронок относительно простой формы, получаемых методами прессования и спекания (твердые сплавы и минералокерамические материалы) либо синтеза при высоких температурах и давлениях в присутствии катализаторов (синтетические алмазы и сверхтвердые материалы). Режущие пластины и вставки широко используются для оснащения резцов, торцовых и дисковых фрез с механическим креплением режущих элементов. Твердые сплавы находят также некоторое применение при производстве сверл, червячных фрез и т. д.

Основные физико-механические характеристики и значения допустимой скорости резания для этих групп инструментальных материалов приведены в таблице 1.

Некоторые сведения о свойствах и областях применения инструментальных сталей, металлокерамических твердых сплавов, минералокерамических материалов, синтетических алмазов и сверхтвердых материалов приведены в таблицах 2–4.

Таблица 1 – Физико-механические характеристики основных групп инструментальных материалов

Материалы	Твер-дость HRCэ, HRA	Микро-твер- дость HV, МПа	Предел проч-ности при из-гибе и, ГПа	Ударная вязкость ан, кДж/м2	Тепло-стой-кость кр, С	Допус-тимая скорость резания v, м/мин
Углеродис-тые инстру-ментальные стали	HRCэ 61… 63	–	2,0… 2,9	200… 300	200… 220	10… 15
Легирован-ные инстру-ментальные стали	HRCэ 62… 66	–	2,2… 3,4	300… 400	240… 250	15… 30
Быстроре-жущие инструмен-тальные стали	HRCэ 63… 68	–	3,0… 4,0	400… 600	620… 700	40… 60
Металлоке-рамические твердые сплавы	HRA 87… 92	17000… 24000	0,5… 1,8	25… 50	800… 1000	100… 300
Минерало-керамичес-кие твердые сплавы	HRA 91… 94	19000… 30000	0,4… 0,95	5… 20	1400… 2000	400… 600
Кубический нитрид бора		60000… 80000	0,4… 0,6		1600	1000… 1200
Алмазы ис-кусственные		100000	0,35… 0,45		700	1000… 1200

В качестве инструментальных материалов в настоящее время применяется широкая гамма металлокерамических твердых сплавов (как вольфрамосодержащих, так и безвольфрамовых), твердые сплавы с  износостойкими покрытиями, минералокерамические твердые сплавы, сверхтвердые материалы.

Таблица 2 – Краткая характеристика инструментальных сталей

Марка	Особенности состава	Особенности термообработки	Примечания
Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435–74)
У7, У7А, У10, У10А, У12, У12А	Железо, углерод, 0,2…0,4% Mn	Нагрев до 750…820С, быстрое охлаждение в воде, отпуск при 120…150 С	Буква У в маркировке стали указывает на принадлежность к углеродистым инструментальным сталям, цифра после буквы У – на содержание углерода в десятых долях процента, буква А – на принадлежность стали к высококачественным. Достоинства: высокая технологичность, дешевизна. Недостатки: низкая теплостойкость, v = 5…10 м/мин
Инструментальные легированные стали (ГОСТ 5950–73)
9ХС, 9ХФ, 11ХФ	Повышенное содержание Si или Mn и (или) легирующих элементов: Cr, Ni, W, V, Co, Mo	Нагрев до 830…860 С, закалка в масле, отпуск при 150…200 С	Если цифры в маркировке стали отсутствуют, содержание углерода или легирующего элемента в стали – около 1 %. v = 15…25 м/мин
ХВГ, ХВСГ
Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73)
Р6М5, Р9, Р12 Р9К5, Р6М5К5, Р18М2Ф2	Cr – 4%, Mo – 1%, V – 1…2% (в обозначе-нии не указы-вается); углерода – 0,7…1%	Закалка и трехкратный отпуск. Структура после термообработки – мартенсит и карбиды. Температура закалки –1200…1270 С, 3-кратный отпуск при 540…570 С	Буква Р указывает на принадлежность стали к быстрорежущим

Таблица 3 – Физико-механические свойства и область применения металлокерамических твердых сплавов (ГОСТ 3882–74)

Твердый сплав	Твер-дость HRA		и, МПа			Общая область применения
						Вид обработки	Обрабатываемый материал
1	2		3			4	5
Вольфрамокобальтовые твердые сплавы группы ВК
ВК3	89,5	1100			Чистовая обработка		Серый чугун, цветные металлы и неметаллические материалы (пластмасса, стеклопластики)
ВК4	89,5	1400			Получистовое точение, чистовое фрезерование, растачивание		Серый чугун, цветные металлы и сплавы
ВК6	88,5	1500			Черновое точение, получистовое фрезерование
ВК8	87,5	1600			Черновая обработка
ВК3-М	91	1100			Чистовая обработка		Твердый, легированный и отбеленный чугуны; сплавы на основе титана, вольфрама, молибдена
ВК6-0М	90,5	1200			Чистовая и получистовая обработка
ВК6-М	90	1350			Получистовая обработка
ВК10-0М	88	1400			Черновая и получистовая обработка
ВК10-М	87	1650
Титановольфрамокобальтовые твердые сплавы группы ТК
Т30К4	92	950		Чистовое точение			Стали углеродистые и низколегированные
Т15К6	90	1150		Получистовое точение, чистовое фрезерование

Окончание таблицы 3

1	2	3		4		5
Т14К8	89,5	1250		Получистовое точение, зенкерование, получистовое фрезерование сплошных поверхностей		Стали углеродистые и низколегированные
Т5К10	88,5	1400		Черновая обработка
Титанотанталовольфрамокобальтовые твердые сплавы группы ТТК
ТТ10К8-Б	89	1450		Черновое точение		Стальные поковки, стали и сплавы коррозионно-стойкие и жаропрочные, титановые сплавы
ТТ7К12	87	1650		Тяжелое черновое точение
Безвольфрамовые твердые сплавы
КНТ16	89		1200		Чистовая и получистовая обработка	Стали углеродистые и низколеги-рованные, чугуны, цветные металлы, неметаллические материалы
ТН20	90		1050
Твердые сплавы с износостойкими покрытиями
МС2210, МС2215	89		1450		Чистовая и получистовая обработка	Сложнолегирован-ные стали и сплавы, при обработке которых проявляются интенсивное адгезионное и диффузионное изнашивание
ВП1255, ВП1325	89,5		1400
	90
МС1460, МС1465	87,5		1650
ВП3115	88,5		1500		Чистовая и получистовая обработка	Сложнолегирован-ные чугуны
ВП3125	87,5		1600		Получистовая и черновая обработка

Таблица 4 – Физико-механические свойства и область применения минералокерамики и синтетических сверхтвердых материалов

Материал	Твердость	и, МПа	Общая область применения
			Вид обработки	Обрабатываемый материал
1	2	3	4	5
ЦМ-332	HRA 91	300… 350	Чистовая и получистовая обработка	Стали закаленные, чугуны, цветные металлы
В-3	HRA 93	650
ВОК-63	HRA 93	650
Алмаз синтети-ческий (АС2, АС4)	До HV 26000 МПа	400… 500	Чистовая обработка	Алюминиевые и магниевые сплавы, цветные металлы на основе меди, цинковые сплавы, пластмассы
Композит 01	HV 75000… 80000 МПа	400… 500	Чистовая обработка	Закаленные стали, чугуны
Композит 02	HV 75000… 80000 МПа	400… 500	Чистовая обработка	Закаленные стали, чугуны
Композит 05	HV 60000… 70000 МПа	450… 500	Чистовая обработка	Чугуны и другие материалы, дающие стружку надлома
Композит 10	HV 60000… 65000 МПа	700… 1000	Получистовая обработка	Закаленные стали, чугуны, твердые сплавы

Несмотря на более высокую стоимость пластин из большинства прогрессивных марок инструментальных материалов, затраты потребителя на обработку единицы продукции по сравнению с традиционными марками ниже благодаря либо улучшению количественных характеристик надежности инструмента, либо повышению уровня подачи или скорости резания и, соответственно, производительности обработки.

Особое внимание следует обратить на физико-механические характеристики металлокерамических твердых сплавов с улучшенной структурой и износостойким покрытием. Из металлокерамических твердых сплавов с улучшенной структурой следует отметить мелкозернистые (ВК3-М, ВК6-М) и особомелкозернистые (ВК6-ОМ, ВК10-ОМ) твердые сплавы. Мелкозернистые твердые сплавы ВК3-М и ВК6-М показали высокие результаты при обработке твердых чугунов,

цветных металлов с большой истирающей способностью, закаленных и коррозионно-стойких сталей, а также других труднообрабатываемых материалов. Особомелкозернистые твердые сплавы обладают плотной, особомелкозернистой структурой, что позволяет затачивать и доводить инструмент, изготовленный из них, с наименьшим радиусом округления режущих кромок. Твердый сплав ВК6-ОМ обеспечивает высокую стойкость инструмента при тонком точении и растачивании жаропрочных и коррозионно-стойких сталей и сплавов, чугунов высокой твердости (в том числе ковких), закаленных сталей, алюминиевых сплавов. Твердый сплав ВК10-ОМ предназначен для черновой и получистовой обработки коррозионно-стойких сталей, титановых и никелевых сплавов, особенно на основе вольфрама и молибдена.

Весьма эффективна замена карбидов тантала в особомелкозернистых твердых сплавах карбидами хрома. Это обеспечивает получение твердых сплавов с мелкозернистой структурой и высокой износостойкостью (ВК10-ХОМ).

Введение в твердый сплав карбидов тантала и ниобия (ТТ10К8-Б, ТТ7К12) повышает его прочность. Поэтому трёхкарбидные и четырёхкарбидные твердые сплавы группы ТТК применяются для оснащения инструментов, работающих с ударами, при неравномерном припуске и корке.

Наряду с твердыми сплавами групп ВК, ТК и ТТК всё более широкое применение находят твердые сплавы группы МС, изготовленные по  технологии концерна Sandvik Coromant (Швеция). Номенклатура этих   твердых сплавов достаточно разнообразна и они могут использоваться при обработке различных материалов, заменяя традиционные марки твердых сплавов. Характерными особенностями твердых сплавов группы   МС являются однородность структуры, повышенная прочность и высокая стабильность режущих свойств, что особенно важно в условиях работы на современном автоматизированном оборудовании. Твердые сплавы группы МС могут производиться как без износостойких покрытий, так и с покрытиями (однослойными или многослойными). Маркировка твердых сплавов группы МС содержит трехзначную последовательность цифр при  отсутствии износостойкого покрытия и четырехзначную – при его наличии. Набор цифр является коммерческим обозначением марки твердого сплава и не содержит информации о его составе.

Износостойкие покрытия, нанесенные на твердые сплавы, прежде  всего, снижают адгезионное взаимодействие с обрабатываемым материалом, что приводит к уменьшению интенсивности адгезионного изнашивания, а также уменьшает силовую нагрузку на лезвие инструмента, в результате чего уменьшается вероятность его хрупкого разрушения. Кроме того, износостойкое покрытие является эффективным барьером для диффузионного взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов. Применение твердосплавных пластин с износостойкими покрытиями позволяет решать целый комплекс задач, наиболее важными из которых являются: увеличение производительности процессов обработки деталей резанием; значительное повышение стойкости и надежности режущего инструмента, расширение эффективной области использования твердых сплавов и сокращение номенклатуры применяемых твердых сплавов стандартных марок.

Твердосплавная промышленность выпускает следующие марки твердых сплавов МС и ВП с износостойкими покрытиями:

МС2210 (МС221 + );

МС2215 (МС221 + + + );

МС1460 (МС146 + );

МС1465 (МС146 + + + );

МС3210 (МС321 + );

ВП1255 (ТТ7К9 + + + );

ВП1325 (Т5К10 + + + );

ВП1455 (ТТ7К12 + + + );

ВП3115 (ВК6 + + + );

ВП3325 (ВК8 + + + ).

Твердые сплавы с износостойкими покрытиями марок МС2210, МС2215, ВП1255 и ВП1325 рекомендуются для чистовой и получистовой обработки сложнолегированных сталей и сплавов, для которых характерны адгезионное и диффузионное изнашивание. Твердые сплавы ВП3115 и ВП3125 рекомендуются соответственно для чистовой и получистовой, получистовой и черновой обработки сложнолегированных чугунов.

В связи с дефицитностью вольфрама и кобальта промышленность освоила выпуск безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбидов и карбонитридов титана с никельмолибденовой связкой (ТН20, КНТ16). По твердости эти материалы находятся на уровне вольфрамосодержащих твердых сплавов, по прочностным характеристикам и особенно по модулю упругости им уступают. Среди недостатков безвольфрамовых твердых сплавов следует отметить высокую хрупкость и низкую теплопроводность. Безвольфрамовые твердые сплавы рекомендуются для чистовой и получистовой обработки углеродистых и низколегированных сталей, чугунов, цветных металлов, неметаллических материалов.

Современная режущая минералокерамика (оксидная керамика ЦМ-332, ВО-13 и оксидно-карбидная В3, ВОК-60, ВОК-63, ВОК-71, в  состав которой входят карбиды титана, вольфрама и молибдена) по прочности приближается к наиболее износостойким металлокерамическим твердым сплавам. Высокие режущие свойства минералокерамики проявляются при  скоростной обработке сталей и высокопрочных чугунов, причем при  чистовом и получистовом точении обеспечивается повышение производительности обработки деталей до двух раз при одновременном росте периода стойкости инструментов до пяти раз по сравнению с инструментами из твердых сплавов.

В последние годы широкое распространение получили синтетические сверхтвердые материалы на основе кубического нитрида бора (композиты). Эти материалы изотропны (характеризуются одинаковой прочностью в различных направлениях), обладают микротвердостью, близкой к микротвердости алмаза, высокой теплостойкостью и химической инертностью по отношению к углероду и железу. Композиты 01 и 02 применяют для тонкого и чистового точения без ударных нагрузок деталей из закаленных сталей твердостью HRC 50…70  и чугунов любой твердости, композиты 05 и 06 – для чистового и получистового точения без удара деталей из закаленных сталей твердостью HRC 45…58 и чугунов любой твердости, композиты 10 и 10Д – для чистового и получистового точения с ударом и без удара деталей из закаленных сталей и чугунов. При этом период стойкости инструментов возрастает в десятки раз по сравнению с другими инструментальными материалами.