75. Инструментальные материалы.

1. Инструментальные стали:

- Углеродистые инструментальные стали, Из этих сталей изготовляют метчики, плаш­ки, ножовочные полотна, сверла и зенкеры малых диамет­ров. Для изготовления инструментов применяют стали У10А, У11А, У12А и др.

-Легированные инструментальные стали- Для изготовления про­тяжек, сверл, метчиков, плашек, разверток используют стали 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 6ХС, 9ХС и др.

-Быстрорежущие стали; Для изготовления режущих инстру­ментов используют стали Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р6М5, Р9Ф5, Р14Ф4, "Р18Ф2, Р9К5, Р9КЮ, Р10К5Ф2 и др.

2. Твердые сплавы — это твердый раствор кар­бидов вольфрама, титана и тантала (WС, TiС, ТаС) в метал­лическом кобальте (Со). Твердые сплавы применяют в виде пластинок определенных форм и размеров, изготовляемых порошковой металлургией.

Твердые сплавы делят на группы:

вольфрамовую (ВК)—ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25;

титано-вольфрамовую (ТК) — Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титанотанталовольфрамовую (ТТК) — ТТ7К12, ТТ10К8Б.

Недостатком твердых сплавов яв­ляется низкая пластичность.

3. Синтетические сверхтвердые и керамические материалы;

СТМ:

-СТМ на основе фазового превращения графитоподобного нитрида бора в кубический. Применяют для тонкого и чистового точения резцами при приложении безударной нагрузки и торцовом фрезеровании закаленных сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов с содержанием кобальта более 15%;

-СТМ на основе частичного или полного превращения вюрцитного нитрида бора в кубический. Применяют для предварительной и окончательной обработки сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов при приложе­нии безударной или ударной динамической нагрузки;

-СТМ на основе спекания частиц кубического нитрида бо­ра. Применяют для пред­варительной и чистовой обработки заготовок из чугуна лю­бой твердости с наличием поверхностной литейной корки.

Инструментальные керамические материалы можно также разделить на три группы, различающиеся химиче­ским составом, методом производства и областями рацио­нального использования:

1) оксидная «белая» керамика, состоящая из А1₂0₃ с легирующими добавками М§0, 2г0₂ и др. Основные марки: ЦМ332 и ВО-13. Применяют для чистовой и полу-чистовой обработки незакаленных сталей и серых чугунов со скоростями резания до 15 м/с;

2) оксидно-карбидная «черная» керамика (ВОК-60), состоящая из А1,0₃ (до 60%), Т1С (до 20...40%), 2Ю₂ (до 20...40%) и других карбидов тугоплавких металлов. При­меняют для чистовой и получистовой обработки ковких, высокопрочных, отбеленных модифицированных чугунов и закаленных сталей;

3) керамика силинит Р на основе нитрида кремния с легированием оксидами иттрия, циркония, алюминия. Применяют для получистовой обработки чугунов. Основным направлением конструирования инструмен­тов из СТМ и керамических материалов является создание резцов и фрез с механическим креплением цельных и двух­слойных круглых и многогранных режущих пластин.

4. Абразивные материалы — мелкозернистые 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 применяют в основном искусственные абразивные материалы: электрокорунды, карбиды кремния, карбиды бора, оксид хрома, синтетические алмазы, борсилокарбид, славутич, эльбор, гексагонит.

5. Алмазы составляют особую группу материалов. В про­мышленности используют приоодные (А) и синтетические алмазы (АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС, АСМ, АСН). Алмаз является самым твердым материалом, имеет высокую тепло­стойкость и износостойкость, у него практически не про­исходит слипания со многими материалами. Недостатком алмазов является их повышенная хрупкость. Алмазы используют для изготовления инструментов (круги, пилы, ленты, бруски) и доводочных порошков. Кристаллы алма­зов применяют для оснащения режущих инструментов (резцов, сверл и др.). Масса единичных кристаллов, иду­щих на оснащение режущих инструментов, составляет 0,2—0,8 кар.

Наиболее широко используют алмазные резцы, которые применяют при тонком точении или растачивании деталей из сплавов алюминия, бронз, латуней и неметаллических материалов. Алмазный инструмент применяют для обра­ботки заготовок из твердых материалов, германия, крем­ния, полупроводниковых и керамических материалов, жаропрочных сталей и сплавов. При использовании алмаз­ных инструментов повышается качество поверхностей деталей. Обработку ведут со скоростями резания до 20 м/с.

76. Физическая сущность резания.

Резание металлов — сложный процесс взаи­модействия режущего инструмента и заготовки, сопро­вождающийся определенными физическими явлениями, например, деформированием срезаемого слоя металла. Упрощенно резание можно представить в виде следующей схемы. В начальный момент резания, когда движущийся резец под действием силы Р (рис. 54) вдавливается в металл, в срезаемом слое возникают упругие деформации. При дальнейшем движении резца упругие деформации, увеличиваясь по абсолютному значению, переходят в пластические. В прирезцовом срезаемом слое материала заготовки возникает сложное упругонапряженное состоя­ние. В плоскости, перпендикулярной траектории движения резца, возникают нормальные напряжения в_у, а в плос­кости, совпадающей с траекторией движения резца, — касательные напряжения т*. В точке А приложения действующей силы Р значение ъ_х наибольшее. По мере удаления от точки А умень­шается. Нормальные напряжения о_у вначале действуют как растягивающие, а затем быстро уменьшаются и, пере­ходя через нуль, превращаются в напряжения сжатия.

Рис. 54. Схема упругонапряженного состояния металла заготовки при обработке резанием.

Срезаемый слой металла находится под действием внешней силы Р, а также касательных и нормальных напряжений. Сложное упругонапряженное состояние металла приводит к пластическому деформирова­нию его, т. е. к смещению частей кристаллов относитель­но друг друга (сдвиговые де­формации). Сдвиговые дефор­мации происходят в зоне стружкообразования АВС, при­чем деформирование начинает­ся в плоскости АВ и заканчивается в плоскости АС, в ко­торой завершается разруше­ние кристаллов, т. е. сдвига­ется элементарный объем ме­талла и образуется стружка.

Далеё процесс повторяется и образуется следующий эле­мент стружки.

Характер деформирования срезаемого слоя зависит от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки, геометрических параметров инструмента, режи­ма резания, условий обработки.

77. Силы резания.

Деформирование и срезание с заготовки слоя металла происходит под действием внешней силы Р, приложенной со стороны инструмента к обрабатываемой заготовке. Работа, затрачиваемая на деформирование и разрушение материала заготовки, расходуется на упругое и пластиче­ское деформирование металла, его разрушение, преодоление сил трения задних поверхностей лезвия инструмента о заготовку и стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента.

В результате сопротивления металла деформированию возникают реактивные силы, действующие на режущий инструмент. Реактивные силы - это силы упругого (Р_у1 иР_уа) и пластического (Р_п1 и Р_п2) деформирования, векторы которых направлены перпендикулярно к передней и глав­ной задней поверхностям лезвия резца (рис. 55 а). Нали­чие нормальных сил обусловливает возникновение сил трения (Т₁ и Т₂), направленных вдоль передней и главной задней поверхностей лезвия инструмента. Указанную систему сил приводят к равнодействующей силе резания:

R = Р_п + Р₇₂ + Р_а1 + Р_аг + Т_г + Т₂.

Считают, что точка приложения силы R находится на главной режущей кромке инструмента (см. рис. 55 б). Абсолютная величина, точка приложения и направление в пространстве равнодействующей силы резания R в про­цессе обработки являются переменными. Это можно объяс­нить неоднородностью структуры металла обрабатываемой заготовки, переменной поверхностной твердостью мате­риала заготовки, непостоянством срезаемого слоя металла, наличием штамповочных и литейных уклонов, изменением углов у и а в процессе резания. Для расчетов прочности инструментов, узлов станка и т. п. используют не равно­действующую силы резания, а ее составляющие, действую­щие по трем взаимно перпендикулярным направлениям — координатным осям металлорежущего станка.

Для токарно-винторезного станка ось X — линия центров станка, ось Y - горизонтальная линия, перпендикулярная линии центров станка, ось Z — линия, перпендикулярная плоскости ХОУ.

Рис. 55. Силы, возникающие в процессе резания:

а — схема сил, действующих на резец;

б - разложение силы резания на составляющие

Со­ставляющая силы резания Р_г действует в плоскости реза­ния в направлении главного движения по оси Z. По силе Р_г определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную мощность резания, деформацию изгиба заго­товки в плоскости ХОZ, изгибающий момент, действующий на стержень резца , и величину его отжатия от заготовки, а также ведут динамический расчет механизма коробки скоростей станка. Радиальная составляющая силы резания Р_у действует в плоскости ХОУ, перпендикулярной оси заготовки. По силе Р_и определяют упругое отжатие резца от заготовки и деформацию изгиба заготовки в плоскости ХОУ. Осевая составляющая силы резания Р_х действует в плоскости ХОУ вдоль оси заготовки. По силе Р_х рассчитывают механизм подачи станка, а также изгибающий момент, действующий на стержень резца .

По деформации заготовки, возникающей под действием сил Р_г и Р_у, рассчитывают ожидаемую точность размерной обработки заготовки и погрешность ее геометрической формы. По суммарному изгибающему моменту под дейст­вием сил Р_г и Р_х рассчитывают стержень резца на проч­ность и т. д.

Упругопластическое деформирование металла приводит к возникновению в поверхностном слое заготовки остаточ­ных напряжений, которые могут быть растягивающими или сжимающими. Напряжения растяжения снижают предел выносливости материала заготовки, так как приво­дят к появлению микротрещин в поверхностном слое, развитие которых ускоряется под действием корродирую­щей среды. Напряжения сжатия, напротив, повышают предел выносливости деталей. Неравномерная релаксация остаточных напряжений искажает геометрическую форму обработанных поверхностей, увеличивает отклонения их взаимного расположения и размеров. Следовательно, окончательную обработку поверхностей заготовок следует вести такими методами и в таких усло­виях, чтобы остаточные напряжения отсутствовали или были минимальны. Целесообразно, чтобы в поверхностном слое возникали напряжения сжатия. Можно снизить напряжения, применяя, например, электрохимическую обработку, а для получения в поверхностном слое сжимаю­щих напряжений можно рекомендовать обработку пласти­ческим деформированием, например, обкатку поверхностей заготовок стальным закаленным роликом или шариком.

Условно поверхностный слой обработанной заготовки можно разделить на три зоны

(рис. 56, а):

Рис.56. Поверхностный слой материала заготовки:

а — строение; 6 — эпюра изменения твердости

1 - зона разрушенной структуры с измельченными зернами, рез­кими искажениями кристаллической решетки и большим количеством микротрещин; ее следует обязательно удалять при каждой последующей обработке поверхности, заго­товки; 11 — зона наклепанного металла;

111 — основной металл. В зависимости от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки и режима резания глубина наклепанного слоя составляет несколько милли­метров при черновой обработке, а также сотые и тысячные доли миллиметра при чистовой обработке. Пластичные металлы подвергаются - большему упрочнению, чем твердые (рис. 56 б).

Наклеп обработанной поверхности можно рассматри­вать как благоприятное явление, если возникающие оста­точные напряжения являются сжимающими. Однако на­клеп, полученный при черновой обработке, отрицательно влияет на резание при последующей чистовой обработке, когда срезаются тонкие стружки (развертывание, протя­гивание). В этом случае инструмент обрабатывает поверх­ность повышенной твердости, что приводит к его быстрому затуплению, а шероховатость поверхности увеличивается.