Глава II Инструментальные материалы

1. СВОЙСТВА

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Режущие инструменты работают в ус­ловиях значительных силовых нагрузок, высоких температур, трения и износа. По­этому инструментальные материалы должны обладать определенными экс­плуатационными физико-механическими свойствами. Материал режущей части ин­струмента должен иметь большую твер­дость и высокие значения допустимых напряжений на изгиб, растяжение, сжатие, кручение. Твердость материала режущей части инструмента должна значительно превышать твердость материала обраба­тываемой заготовки.

Высокие прочностные свойства необ­ходимы для того, чтобы инструмент обла­дал сопротивляемостью соответствующим деформациям в процессе резания, а доста­точная вязкость материала позволяла бы воспринимать ударную динамическую нагрузку, возникающую при обработке заготовок из хрупких материалов или с прерывистой обрабатываемой поверхно­стью. Инструментальные материалы должны обладать высокой красностойко­стью, т.е. сохранять большую твердость и режущие свойства при высоких темпера­турах нагрева. Важнейшей характеристи­кой материала режущей части инструмен­та служит износостойкость. Чем выше износостойкость, тем медленнее изнаши­вается инструмент и выше его размерная стойкость. Это значит, что заготовки, по­следовательно обработанные одним и тем же инструментом, будут иметь минималь­ное рассеяние размеров обработанных поверхностей. В целях повышения изно­состойкости на режущую часть инстру­ментов специальными методами наносят одно- и многослойные покрытия из кар­бидов вольфрама, нитридов титана. Мате­риалы для изготовления инструментов

должны по возможности иметь наимень­шее процентное содержание дефицитных элементов.

2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Углеродистые инструментальные ста­ли содержат 1,0 ... 1,3 % С. Для изготов­ления инструментов применяют качест­венные стали У10А, УНА, У12А. После термической обработки стали (HRC₃ 60 ... 62) имеют красностойкость 200 ... 240 °С. При этой температуре твердость стали резко уменьшается и инструменты не мо­гут выполнять работу резания. 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 - это углеродистые инструментальные стали, легированные хромом (X), вольф­рамом (В), ванадием (Ф), кремнием (С) и другими элементами. После термообработ­ки легированные стали (HRC₃ 62 ... 64) имеют красностойкость 220 ... 260 °С. 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. Для изготовления протя­жек, сверл, метчиков, плашек, разверток используют стали 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 6ХС, 9ХС.

Быстрорежущие стали содержат 5,5 ... 19 % W, 3,8 ... 4,4 % С, 2 ... 10 % Со и V. Для изготовления инструментов исполь­зуют стали Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р6М5, Р9Ф5, Р14Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф2. Режущий инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (HRC, 62 ... 65) имеет красностойкость 600 ... 640 °С и обладает повышенной износостойко-

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

323

стью; он может работать со скоростями резания до 2 м/с.

Сталь Р9, например, рекомендуют для изготовления инструментов простой фор­мы (резцов, фрез, зенкеров). Кобальтовые быстрорежущие стали Р9К5, Р18К5Ф2, Р9К10 применяют для обработки трудно­обрабатываемых материалов в условиях прерывистого процесса резания. Ванадие­вые быстрорежущие стали Р9Ф5, Р14Ф4 рекомендуют для изготовления инстру­ментов, предназначенных для чистовой обработки (протяжки, развертки, шеверы). Их применяют для обработки труднообра­батываемых материалов при срезании стружек малого поперечного сечения.

Вольфрамомолибденовые стали Р9М4, Р6МЗ используют 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.

3. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Твердые сплавы - это твердый раствор карбидов вольфрама, титана и тантала (WC, TiC, TaC) в металлическом кобальте (Со). Твердые сплавы применяют в виде пластинок определенных форм и разме­ров, изготовляемых порошковой метал­лургией. Пластинки предварительно прес­суют, а затем спекают при температуре 1500... 1900 °С.

Твердые сплавы делят на группы: вольфрамовую - ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25; титановольф-рамовую - Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титанотанталовольфрамовую -ТТ7К12, ТТ10К8Б. Пластинки твердого

11*

сплава (HRA, 86 ... 92) обладают высокими износостойкостью и красностойкостью (800 ... 1250 °С), что позволяет вести об­работку со скоростями резания до 15 м/с. Пластинки припаивают к державкам или корпусам инструментов медными, латун­ными припоями или крепят механическим способом.

В промышленности применяют много­гранные неперетачиваемые твердосплав­ные пластинки (трех-, четырех-, пяти-, шестигранные), которые крепят механиче­ским способом. После изнашивания одной из режущих кромок такой пластинки в работу вводят следующую. Недостаток твердых сплавов - пониженная пластич­ность.

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 чугу-нов, бронз, закаленных сталей, сплавов легких металлов, сплавов титана, фарфо­ра, керамики, стекла, ферритов. Трехкар-бидные сплавы ТТК отличаются от групп сплавов ВК и ТВК повышенными из­носостойкостью, прочностью и вязкостью. Их применяют для обработки заготовок из труднообрабатываемых сталей аустенит-ного класса.

4. СИНТЕТИЧЕСКИЕ СВЕРХТВЕРДЫЕ И КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Эффективность обработки заготовок на автоматических линиях, станках с ЧПУ, многоцелевых станках, в гибких производственных модулях и системах в значительной степени зависит от материа­лов режущей части инструментов. Высо­кая эффективность работы этих систем обеспечивается применением новых сверхтвердых материалов и керамики.

324

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

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 различаются технологией производства, структурами и физико-механическими свойствами.

СТМ на основе фазового превращения графитоподобного нитрида бора в кубиче­ский. Производят композит 01 (эльбор) в композит 02 (белбор). Применяют для тонкого и чистового точения резцами в условиях безударной нагрузки и торцово­го фрезерования 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. Производят композит 01 (гексанит-Р) и модификации композита 09-ПТНБ (поликристалл твердого нитрида бора), ПТНБ-ИК и др. Гексанит-Р и пла­стины из композита 10Д (композит 10 на подложке из твердого сплава) применяют для предварительного и окончательного точения и торцового фрезерования сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов в условиях безударной или удар­ной динамической нагрузки (наличие на обрабатываемой поверхности отверстий, пазов, ребер).

СТМ на основе спекания частиц куби­ческого нитрида бора (КНБ). Производят композит 05, киборит и ниборит. Исполь­зуют следующие технологии изготовле­ния: вдавливание частиц КНБ в металли­ческую матрицу; спекание зерен КНБ с зернами связки; спекание в условиях хи­мического взаимодействия зерен КНБ со связкой.

Композит 05 применяют для предвари­тельного и чистового точения и торцового фрезерования закаленных деталей из чу­гунов любой твердости с наличием по­верхностной литейной корки.

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

Оксидная "белая" керамика, состоящая из А1₂0₃ с легирующими добавками MgO, Zr0₂ и др. Марки керамики: ЦМ332, ВО-13. Применяют для чистовой и получистовои обработки незакаленных сталей и серых чугунов со скоростями резания до 15 м/с.

Оксидно-карбидная "черная" керамика, состоящая из МО, (до 60 %), TiC (20 ... 40 %), Zr0₂ (20 ... 40 %) и других карбидов туго­плавких металлов. Марка керамики ВОК-60. Применяют для чистовой и получистовои обработки ковких, высокопрочных и отбе­ленных модифицированных чугунов и закаленных сталей.

Керамика на основе нитрида кремния с легированием оксидами иттрия, циркония, алюминия. Марка силинит-Р, получаемая способом горячего прессования. Приме­няют для получистовои 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.

5. АБРАЗИВНЫЕ

И АЛМАЗНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Абразивные материалы - это 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 используют искусст­венные абразивные материалы: электро-корунды, карбиды кремния, карбиды бора, оксид хрома, синтетические алмазы, бор-силокарбид, славутич, эльбор, гексагонит.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

325

Абразивные материалы имеют высокие твердость, красностойкость (1800... 2000 °С) и износостойкость. Инструменты из абра­зивных материалов позволяют обрабатывать детали со скоростью резания 15 ... 100 м/с. Абразивные инструменты 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 (ку-бонит) служит заменителем алмазов; его применяют для обработки заготовок из высокотвердых материалов и конструкци­онных сталей. Славутич - сверхтвердый материал; инструменты из него не усту­пают алмазным 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. Ал­мазы 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. Алмазный инструмент 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. Обработку ведут со скоростями резания до 20 м/с. Поверхности деталей, обрабо­танные в этих условиях, имеют низкую шероховатость и высокую точность раз­меров.

СТМ на основе алмаза по технологии производства делят на две группы: поли­кристаллы алмаза, получаемые фазовым переходом фафита в алмаз и получаемые спеканием алмазных зерен. К первой группе относятся карбонадо (АСПК) и баллас (АСБ); ко второй группе - СВБН, карбонит и СКМ. Из СВБН изготовляют цилиндрические вставки диаметром до 4 мм и толщиной до 3 мм, которые припаивают к вершинам твердосплавных пластин.

Поликристаллы впаивают в цилиндри­ческие и прямоугольные вставки, которые закрепляют в инструментах механическим способом. Изготовляют токарные, про­ходные, подрезные и расточные резцы, кассетные регулируемые торцовые фрезы и другие инструменты.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Каковы основные свойства инструмен­тальных материалов, обеспечивающие ста­бильный процесс резания?

2. Перечислите группы инструментальных материалов.

3. Назовите области применения сверх­ твердых и керамических материалов.

4. Каково назначение абразивных материа­ лов?

326 МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН