_Sysoev_TMS_-lekcii

Наиболее применимы следующие группы инструментальных материа-

лов.

Углеродистые инструментальные стали. В качестве инструменталь-

ных материалов широко используются высокоуглеродистые (заэвтектоид- ные) высококачественные стали с содержанием углерода от 0,9 до 1,3% сле-

дующих марок: У7, У7А, У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А, У13,

У13А. Обозначение марки включает букву У, за ней следует цифра, указывающая среднее массовое содержание углерода в стали в десятых долях процента; буква А в конце соответствует высококачественным сталям с пониженным содержанием примесей.

Теплостойкость углеродистых инструментальных сталей составляет Θ=200…250 º С. Потеря твердости при нагреве выше этой температуры объясняется интенсивной коагуляцией карбида железа, выделяющегося из мартенсита.

Углеродистые стали применяются для изготовления ручных (слесарных) инструментов и машинных инструментов с низкими скоростями резания.

Легированные стали. Свойства углеродистых инструментальных сталей, особенно при невысоких скоростях резания, могут быть значительно улучшены при добавлении в них в небольших количествах хрома, марганца, вольфрама, ванадия и кремния. Такие инструментальные стали получили название легированных, например 11Х, 11ХФ, Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ, ХВ5, ХВГ, Х6ВФ.

Обозначение марки стали состоит из следующих элементов: первая цифра показывает массовое содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, то содержание углерода 0,95…1,04%); буквы соответствуют химическим элементам (Г – марганец, Х – хром, С – кремний, В – вольфрам, Ф – ванадий); цифры после букв представляют массовое содержание соответствующего химического элемента в процентах.

Теплостойкость легированных инструментальных сталей превышает

250 ºС.

Легированные инструментальные стали обладают рядом положительных свойств, в том числе формоустойчивостью лезвий, что позволяет использовать их для изготовления сложнопрофильного инструмента, но с последующей его эксплуатацией при малых скоростях (критическая температура – не выше 250 ºС).

Быстрорежущие (высоколегированные) инструментальные стали и сплавы. Быстрорежущие (высоколегированные) инструментальные стали отличаются от легированных присутствием в них значительно большего количества карбидообразующих элементов (вольфрама, ванадия, молибдена и хрома), существенно повышающих теплостойкость стали.

Обозначения марок быстрорежущих инструментальных сталей содержат следующие буквы и цифры:

– цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента;

71

– буквы обозначают легирующие элементы: Р – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, А – азот, К – кобальт, Т – титан, Ц – цирконий;

–цифра, которая стоит за буквой – среднее массовое содержание элемента в процентах;

–содержание хрома не указывается, так как оно составляет около 4 % во всех сталях;

–массовое содержание азота указывается в сотых долях процента.

По уровню теплостойкости быстрорежущие стали разделяются на две группы: первая группа – стали нормальной теплостойкости (Р18, Р9, Р12, Р6МЗ и Р6М5); вторая группа – стали повышенной теплостойкости с повышенным содержанием ванадия (Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5, Р12Ф3, Р18М5Ф2) и кобальта (Р9К5, Р9К10), а также высоколегированные безуглеродистые стали и сплавы.

Содержание легирующих элементов в сталях нормальной теплостой-

кости (сталях первой группы) следующее:
– в сталях Р18, Р9, Р12 – углерода 0,7…0,9%,	вольфрама 19,0…8,5%
(это цифра, стоящая в обозначении), молибдена 1%, ванадия 1,0…2,6%;
– в сталях Р6МЗ и Р6М5 – углерода 0,80…0,95%,	вольфрама 5,5…6,5%
(первая цифра в обозначении), молибдена 3,0…5,5% (	вторая цифра в обозна-
чении), ванадия 2,0…2,5%.

Критическая температура сталей первой группы при резании Θ = 600

ºС.

Содержание легирующих элементов в составе быстрорежущих сталей повышенной теплостойкости (стали второй группы) следующее:

– у ванадиевых сталей Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5, Р12Ф3, Р18М5Ф2 – вольфрама 13…19% ( первая цифра, стоящая в обозначении марки), молибде-

на 0,5…1,0%, хрома 3,8…4,6%, ванадия	1,8…5,1% ( это вторая	цифра в
обозначении марки);
– у кобальтовых сталей Р9К5, Р9К10	– вольфрама 9,0…10,5% (	это пер-

вая цифра в обозначении марки), молибдена до 1 %, ванадия 2,0…2,6%, кобальта 5,0…10,5% ( вторая цифра в обозначении марки).

Теплостойкость их теплостойкость равна Θ = 6240…670 º С.

Влияние рода инструментального материала при расчете скорости резания учитывается поправочным скоростным коэффициентом Ки. При обработке углеродистых конструкционных сталей и чугунов этот коэффициент имеет следующие значения: для стали У12А Кн = 0,50; стали 9ХС Кн = 0,60; сталей Р18 и Р9 Кн = 1,00; стали Р9 Кн = 1,08; сталей Р9Ф5 и Р9К10 Кн = 1,10;

стали Р14Ф4 Кн = 1,15.

Высоколегированные безуглеродистые стали и сплавы Р18МЗК25,

Р18М7К25, Р10М5К25, Р6М5Ф3, Р18М5Ф2, Р6М5К5, Р9М4К8, Р2АМ9К5

имеют в своем составе углерод (< 0,06 %), хром и титан (0,2 %), ванадий (0,5 %), вольфрам (первая цифра в обозначении марки), молибден (вторая цифра в обозначении марки), кобальт и ванадий (третья цифра в обозначении марки). Закалка при температуре 1 300 ºС и отпуск при температуре 600 ºС обеспечивает дисперсионное твердение сплавов, повышающее твердость до НRС

72

68…69.

Теплостойкость высоколегированных безуглеродистых сталей и сплавов достигает Θ = 700…720º С. Высокая теплостойкость сплавов благодаря содержанию в них молибдена сочетается с удовлетворительной прочностью.

Из быстрорежущих сталей изготовляют фасонные резцы, винтовые сверла, зенкеры, развертки, метчики, плашки, винторезные головки, цилиндрические, осевые и концевые фрезы, фасонные и резьбовые фрезы, червяч- но-модульные и червячно-шлицевые фрезы, зуборезные долбяки, шеверы, протяжки.

Достаточно высокая теплостойкость быстрорежущих сталей (600… 720ºС), хорошие режущие и технологические свойства являются причиной их широкого применения при изготовлении самых разнообразных инструментов.

Твердые (металлокерамические) сплавы. Исходными материалами для изготовления твердых сплавов методами порошковой металлургии являются порошки карбидов тугоплавких металлов: вольфрама, титана, тантала и не образующего карбидов кобальта

Порошки смешивают в определенных пропорциях, прессуют в формах и спекают при температуре 1500…2000 º С. При спекании твердые сплавы приобретают высокую твердость и в дополнительной термической обработке уже не нуждаются. Карбиды вольфрама, титана и тантала обладают высокой тугоплавкостью. Они образуют твердый режущий скелет сплава. По сравнению с ними кобальт значительно мягче, а потому в сплаве кобальт является связкой, цементирующей режущий скелет.

Твердые сплавы для изготовления режущих инструментов поставляют в виде пластинок определенной формы и размеров. Эти пластинки присоединяют к корпусу инструментов пайкой или с помощью разнообразных устройств механического крепления (винтов, накладок, клиньев и т. п.).

Различают следующие группы твердых сплавов: вольфрамовые, тита- но-вольфрамовые, титано-тантало-вольфрамовые и безвольфрамовые. В зависимости от состава карбидной фазы и связки, обозначения твердых сплавов включают буквы, характеризующие карбидообразующие элементы: В – вольфрам, Т – титан, вторая буква Т – тантал, К – кобальт (связка).

В состав вольфрамовых (однокарбидных) сплавов ВК3, ВК3М, ВК4, ВК4В, ВК6, ВК6-М, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК 10М, ВК10ОМ, ВК15 входят карбид вольфрама и кобальт (цифра в обозначении марки сплава показывает его процентное содержание). Структура вольфрамовых сплавов состоит из твердого раствора кобальта и карбида вольфрама, а также избыточных свободных кристаллов карбида вольфрама.

Теплостойкость этих сплавов составляет Θ = 800...850 ºС.

Состав титано-вольфрамовых (двухкарбидных) сплавов Т30К4, Т15К6,

Т14К8, Т5К10, Т15К12В включает карбид вольфрама, карбид титана (первая цифра в обозначении марки сплава показывает его процентное содержание) и кобальт (вторая цифра в обозначении марки сплава определяет его процентное содержание).

73

Теплостойкость титано-вольфрамовых сплавов составляет 850…900 º С.

В состав титано-тантало-вольфрамовых (трехкарбидных) сплавов ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б входят карбид вольфрама, карбид титана, карбид тантала и кобальт.

Теплостойкость этих сплавов составляет Θ = 750 ºС.

При выборе марки твердого сплава в рамках каждой группы необходимо руководствоваться следующим основным правилом: чем тяжелее усло-

вия работы инструмента в силовом отношении, тем больше кобальта дол- жен содержать сплав, и чем легче силовой режим, тем больше в сплавах

должно содержаться карбидов титана и вольфрама.

Рассмотрим далее твердые сплавы, не содержащие вольфрама.

Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) ТМ1, ТМ3, ТН20, КНТ16,

ТН30, ТН40, КНТ12, КНТ20, КНТ30, ЛЦК20 – это сплавы на основе карбида, карбонитрида титана, карбида хрома, титанониобиевого карбида, циркония и др., которые превосходят по твердости монокарбид вольфрама. Цементирующими компонентами в них являются никельмолибденовый сплав, никель, молибден и кобальт.

Безвольфрамовые твердые сплавы по сравнению с вольфрамовыми сплавами имеют меньшую прочность на изгиб, но отличаются повышенной теплостойкостью (Θ = 1 000 ºС) и низкой схватываемостью с обрабатываемыми материалами. Они обрабатывают стали практически без наростообразования.

Номенклатура инструментов, изготовляемых из твердых сплавов, как монолитных, так и сборных, с применением сменных пластин весьма широка: резцы всевозможных типов (проходные, подрезные, отрезные, расточные), фасонные резцы с несложным фасонным контуром, сверла с прямыми канавками, спиральные сверла, зенкеры, развертки, торцовые фрезы, концевые фрезы и концевые фрезы с винтовыми пластинками, пазовые фрезы, осевые цилиндрические фрезы, фасонные фрезы с простым фасонным контуром, червячно-модульные фрезы, метчики и др.

Для повышения износостойкости лезвия инструмента применяются покрытия, нанесенные различными методами. Наибольшее распространение нашли покрытия на основе карбидов, нитридов, карбонитридов: TiC, TiN, Ti2N,

Ti(CN), (Ti, Al)N, TiAlCN, (TiAlSi)N, CrN, ZrN и др.

Таким образом, твердые сплавы, обладая высокой теплостойкостью (Θ = 750…1 000 º С), находят применение для изготовления различных инструментов, особенно для сменных пластин, применение которых является прогрессивной тенденцией при создании различных видов и типов инструментов.

Минеральная керамика. Для изготовления режущих инструментов применяются минералокерамические материалы, которые делятся на два основных вида: оксидную белую керамику, содержащую до 99,7% окиси алюминия (Аl2О3), и черную оксидно-карбидную керамику с добавлением карбидов металлов.

Наибольшее распространение получила минеральная керамика, называ-

74

емая микролитом. Микролит, как и твердые сплавы, получают путем спекания. Наибольшее распространение получил микролит марки ЦМ-332.

Исходным материалом для изготовления минеральной керамики является тонкоизмельченный (размер зерна 1…2 мкм) порошок корунда – искусственной окиси алюминия.

Минеральная керамика поставляется в виде пластинок тех же форм и размеров, что и пластинки твердых сплавов. Пластинки минералокерамики прикрепляют к корпусу инструментов пайкой, приклеиванием и механическим способом. Минеральная керамика является наиболее дешевым и доступным инструментальным материалом, так как не содержит дефицитных и дорогих химических элементов, являющихся основой инструментальных сталей и твердых сплавов.

Критическая температура микролита составляет Θ = 1200ºС. Это позволяет минералокерамическому инструменту работать со скоростями резания, значительно превышающими скорости резания твердосплавных инструментов.

Серьезным недостатком минеральной керамики, ограничивающим ее применение, является пониженная прочность на изгиб и низкая ударная вязкость.

Керамику целесообразно использовать при обработке мягких цветных металлов. При обработке стали и чугуна применение минеральной керамики ограничивается чистовым непрерывным точением с малыми сечениями срезаемого слоя при отсутствии толчков и ударов.

Повысить изгибную прочность минеральной керамики удалось за счет введения в ее состав упрочняющих добавок или сложных карбидов этих элементов. Были получены следующие разновидности минералокерамики:

–кермет – первая разновидность упрочненной керамики, содержащая металлы (молибден, вольфрам, титан);

–карбидная керамика – разновидность, которая содержит в своем со-

ставе карбиды: В-3 и BOK60 (Al2O3 + TiC), ОНТ-20 (кортинит) (Al2O3 + TiN),

СС620 (Al2O3 + ZrO2), СС650 (Al2O3 + TiN + TiC), CC680 (силинит) (Si2N4 +

Al2O3).

Инструментальные минералокерамические материалы по сравнению с твердыми сплавами обеспечивают повышение стойкости в 5…10 раз при увеличении скорости резания в 2…3 раза.

Натуральные и синтетические алмазы. Натуральный алмаз пред-

ставляет собой одну из аллотропических модификаций углерода. В природе алмазы встречаются в виде кристаллов и так называемых агрегатов, представляющих собой сросшиеся кристаллические зерна и кристаллики.

Алмаз обладает многими свойствами, весьма полезными для оснащения им режущих инструментов:

– микротвердость алмаза (100 000…106 000 МПа) примерно в 7 раз превосходит микротвердость карбида вольфрама и в 3,5 раза – микротвердость карбида титана;

– высокая теплопроводность намного превышает теплопроводность

75

всех известных инструментальных материалов, что способствует хорошему отводу тепла из зоны резания и снижению температуры резания;

–малый коэффициент линейного расширения позволяет производить точную размерную обработку;

–низкий коэффициент трения по стали и малая склонность к адгезии обеспечивают низкую шероховатость обработанной поверхности.

При нагреве на воздухе до температуры 700…800º С происходит графитизация алмаза и наружные поверхности кристаллов превращаются в аморфный углерод. При нагревании алмаза в контакте с железом при температуре 750ºС имеет место интенсивное растворение алмаза в железе, поэтому критические температуры при резании не должны превышать 700…750º С.

Алмаз является очень дорогим инструментальным материалом. Стоимость алмазных инструментов в 50 раз и более стоимости аналогичных твердосплавных.

Номенклатура лезвийных алмазных инструментов невелика. Алмазами оснащают проходные и расточные резцы, торцовые фрезы и перовые сверла. Большая часть алмазов применяется для изготовления абразивных инструментов. Но в то же время алмазные инструменты в настоящее время успешно применяют при обработке цветных металлов, прочных пластмасс, технической керамики, полупроводников и природных минералов.

Синтетические (искусственные) алмазы имеют то же строение, что и натуральные. Их физико-механические свойства тождественны свойствам природных алмазов. Промышленно выпускаются три марки синтетических алмазов:

–алмаз синтетический обычной прочности (АСО). Используется для изготовления инструментов на органической связке;

–алмаз повышенной прочности (АСП). Предназначен для изготовления инструментов на металлической и керамической связках;

–алмаз высокой прочности (АСВ). Производится для изготовления инструментов на металлической связке, работающих при высоких удельных нагрузках.

Основная область применения синтетических алмазов – инструменты для абразивной обработки.

Сверхтвердые инструментальные материалы. Основным компонен-

том сверхтвердых инструментальных материалов (СТМ) является кубиче-

ский нитрид бора (эльбор, боразон). Кубический нитрид бора представляет собой химическое соединение бора и азота. Технология его производства сходна с производством синтетических алмазов. Исходным материалом для производства кубического нитрида бора является нитрид бора, свойства которого аналогичны свойствам графита.

Кубический нитрид бора (КНБ, или эльбор) имеет структуру алмазного типа, но в узлах кубической кристаллической решетки вместо атомов углерода находятся атомы азота и бора. Мелкие кристаллы эльбора размером до 0,4 мм имеют форму октаэдра (многогранник, имеющий 8 граней, 12 ребер, 6 вершин, в которых сходятся по 4 ребра). Кристаллы более 0,4 мм, как прави-

76

ло, правильной огранки не имеют. Твердость кубического нитрида бора ниже, чем у алмаза, и равна 85 000…94 000 МПа.

Теплостойкость кубического нитрида бора Θ = 1 200…1 300 º С. Однако его теплопроводность примерно в 3 раза ниже, чем у алмаза.

Кубический нитрид бора химически инертен по отношению к другим материалам, поэтому его износостойкость при обработке сталей и чугунов значительно выше, чем износостойкость алмазов.

Освоено производство крупных поликристаллических образований кубического нитрида бора (ПКНБ) диаметром 3…4 мм и длиной 5…6 мм, обладающих высокой прочностью (σи = 1 000 МПа).

Современные СТМ получают путем синтеза из гексагонального нитрида бора (композит 01 – эльбор-Р, композит 02 – белбор); синтезом из вюртцитоподобной модификации нитрида бора (композит 10 – гексанит-Р), спеканием из порошков кубического нитрида бора с легирующими добавками (композит 05).

Лезвийные инструменты из сверхтвердых материалов применяются в основном при обработке закаленных сталей, чугунов и инструментальных материалов. Размеры поликристаллов позволяют оснащать пластинами из СТМ токарные резцы, фрезы, другие режущие инструменты для обработки закаленной стали (НRС до 50) и высокопрочных чугунов с малой шероховатостью обработанной поверхности (менее Rа = 0,32) и точностью до 5…6 квалитетов. Сверхтвердые синтетические материалы нашли широкое применение также в качестве абразивных материалов.

Таким образом, высокая критическая температура (1 200…1 300 °С) сверхтвердых инструментальных материалов и их химическая инертность по отношению к обрабатываемым материалам создают широкие возможности по их использованию.

2.2 Основы базирования

Одной из причин, вызывающих погрешности выполняемого размера и отклонения возможного расположения обрабатываемых поверхностей заготовки, является погрешность её установки на станке.

2.2.1Базирование заготовки на станке

Узаготовки при механической обработке различают поверхности

(рис. 2.10):

обрабатываемые – О1 и О2; которыми ориентируют заготовку относительно инструмента, уста-

новленного на размер – Б1, Б2 и Б3; с которыми контактируют зажимные устройства – З1;

от которых измеряют выполняемый размер – И1, И2; свободные – С.

77

Рис. 2.10. Наименование поверхностей при обработке заготовки

Основные термины при определении способа базирования заготовок приведены в табл. 2.1, где показаны основные виды баз и даны их определения.

Термин

1

Базирование

База

Таблица 2.1

Термины и определения

Определение	Примеры
2	3
Придание заготовке или из-
делию требуемого	положе-
ния относительно выбранной
системы координат

Поверхность (а,б) или выполняющее ту же функцию сочетание поверхностей (в,г), ось (д,е), точка (ж), принадлежащая заготовке или изделию и используемая для базирования

1 – база,

2 – деталь,

3 – заготовка,

4 – губки самоцентрирующих тисков, 5 – центрирующий конус

приспособления

78

1	2
Проектная база	База, выбранная при проек-
	тировании изделия, техноло-
	гического процесса изготов-
	ления или ремонта изделия
Действитель-	База, фактически используе-
ная база	мая в конструкции, при изго-
	товлении, эксплуатации или
	ремонте изделия
Комплект баз	Совокупность трех баз, обра-
	зующих систему координат
	заготовки или изделия

Опорная точка Точка, символизирующая одну из связей заготовки или изделия (1…6) с выбранной системой координат x, y, z

Схема	Схема расположения опор-
базирования	ных точек на базах

Смена баз	Замена одних баз другими с
	сохранением их принадлеж-
	ности к	конструкторским,
	технологическим или изме-
	рительным базам
Погрешность	Отклонение фактически до-
базирования	стигнутого	положении заго-
	товки пли изделия при бази-
	ровании от требуемого
Закрепление	Приложение сил и пар сил к
	заготовке или изделию для
	обеспечения постоянства их
	положения, достигнутого
	при базировании

Продолжение табл. 2.1

3

79

					Продолжение таблицы 2.1
1		2	3
Установка		Базирования и закрепления
		заготовки или изделии
Погрешность		Отклонение фактически
установки		достигнутого положения
		заготовки или изделия при
		установке от требуемого
		Виды баз по назначению
Конструк-		База, используемая для опре-
торская	база	деления положения	детали
(КБз)		или сборочной единицы в из-
		делии
Основная база		КБз данной детали или сбо-
		рочной единицы, используе-
		мая для определения их по-
		ложения в изделии

Вспомогатель- КБз данной детали или сбо- ная база рочной единицы и используемая для определения положения присоединяемого к

ним изделия к ним

80