книги / Технология металлов

Для режущей части инструментов применяются следующие материалы:

	Металла		Минералы
1.	Сталь:	1.	Керамические сплавы
	углеродистая	2.	Шлифовальные материалы:
	легированная		естественные
2.	быстрорежущая		искусственные
	Твердые сплавы:
	однокарбидные
	двухкарбидные

Инструментальные стали

Углеродистая инструментальная сталь является дешевым и доступным материалом, пригодным для изготовления слесарных и других инструментов, работающих с небольшой скоростью. Углерод увеличивает твердость инструментальной стали и умень­ шает ее вязкость, делает хрупкой. Поэтому при выборе стали следует принимать во внимание условия работы инструмента. Для инструментов, работающих в условиях ударных нагрузок, выбирают сталь с меньшим содержанием углерода и, наоборот, инструменты, работающие в спокойных условиях с постоянной нагрузкой, изготовляют из ст'али с большим содержанием угле­ рода.

Инструменты, изготовленные из углеродистой инструменталь­ ной стали, закаливают и затем для уменьшения хрупкости и сня­ тия внутренних напряжений отпускают. Хотя твердость закален­ ной стали при этом и понижается, но она достаточна для обра­ ботки всех металлов, если они не закалены.

Тем 'не менее углеродистая инструментальная сталь имеет ограниченное применение. Причиной является ее малая тепло­ стойкость. При температурах выше 200° С она начинает терять твердость и быстро изнашивается, а при 300° С теряет свои режу­ щие способности. Поэтому эту сталь применяют для изготовления только таких режущих инструментов, условия работы которых не вызывают появления высоких температур.

Из легированных сталей для изготовления металлорежущих инструментов применяют ванадиевые, хромовые, высокохромо­ вые, хромокремниевые, хромомарганцевые, вольфрамовые, хромо­ вольфрамовые и хромовольфрамомарганцевые стали. После изго­ товления инструмента сталь закаливают при температурах, соответствующих ее составу, и затем при соответствующих темпе­ ратурах отпускают. Легированную инструментальную сталь ис­ пользуют для изготовления инструментов, условия работы кото­ рых отвечают свойствам данного вида стали.

Быстрорежущая инструментальная сталь обладает по сравне­ нию с углеродистой значительно большей износоустойчивостью,

более высокой теплостойкостью и вязкостью, выдерживает темпе­ ратуру 600° С без потери режущей способности.

Выбор марки быстрорежущей стали зависит от условий рабо­ ты инструмента. В области малых скоростей резания сталь Р9 уступает по износоустойчивости стали Р18 и последняя имеет определенные преимущества. При больших скоростях резания сталь Р9 не только не уступает в износоустойчивости стали Р18, но даже несколько ее превосходит.

Для экономии быстрорежущей стали, ввиду высокого содер­ жания в ней легирующих элементов, целесообразно делать из нее только режущую часть или пластинки соответствующей формы и размеров. Режущую часть инструмента, изготовленную из бы­ строрежущей стали, сваривают с хвостовой или крепежной частью из конструкционной стали посредством стыковой сварки. Нава­ ривание пластинки в гнездо державки или корпуса (рис. 241, а

иб) производится чаще всего нагреванием обеих деталей в печи

ипоследующим обжатием ручным прессом.

Термическая обработка быстрорежущей стали склады­ вается из закаливания и многократного отпуска, после которого твердость стали повышается.

Теплостойкость и износостойкость быстрорежущей инструмен­ тальной стали при достаточной вязкости делает ее применимой для изготовления всех металлорежущих инструментов, работаю­ щих в температурных условиях, не превышающих 600° С. Однако для экономии легирующих элементов, содержащихся в стали в большом количестве, применение быстрорежущей стали Р18 ограничивают режущими инструментами сложной формы и ин­ струментами, предназначенными для выполнения очень точных работ.

Инструментальные твердые сплавы

Твердые сплавы обладают большой твердостью, теплостой­ костью и износостойкостью. Кобальт увеличивает вязкость, но уменьшает износостойкость сплава. Поэтому твердые сплавы с меньшим содержанием кобальта, т. е. более хрупкие, исполь­ зуются для чистовой работы, когда срезается тонкий слой ме­ талла и изгибающие нагрузки невелики. Для обдирочной рабо­ ты, требующей приложения большой силы для срезания толстого слоя металла, наоборот, выбирают более вязкие сплавы с боль­ шим содержанием кобальта. В то же время твердый сплав спо­ собен выдерживать большие нагрузки при сжатии. Эти особен­ ности механических свойств твердого сплава следует учитывать при конструировании металлорежущих инструментов с тем, чтобы пластинки твердого сплава больше подвергались не изги­ бу, а сжатию (рис. 242).

В условиях высоких температур поверхностный слой однокар­ бидного твердого сплава легко окисляется, окисленная поверх­ ность теряет износостойкость и быстро истирается стружкой. При сравнительно невысоких температурах возникает и адгезия. В связи с этим применение однокарбидного твердого сплава невы­ годно при резании стали и других вязких металлов, образующих сплошную стружку. Однокарбидные твердые сплавы целесооб­ разно и эффективно применять при резании чугуна, бронзы и дру­ гих хрупких металлов, не дающих сплошную стружку в усло­ виях высоких температур.

Двухкарбидный твердый сплав оказывает изгибающим на­ грузкам еще меньшее сопротивление, чем однокарбидный твер­

	дый	сплав.		Ввиду это­
	го он		не	может		быть	Р
	использован				для	реза­
	ния чугуна,				бронзы и
	других		хрупких метал­
	лов,	когда			действие
	силы	резания сосредо­
	точено		на	очень		узкой
	площадке вдоль лезвия
	Инструмента,				что	при-	Рис. 242. Сопротивление режущей пластинки:
	ВОДИТ		к его		выкроши-		а — изгибу; б — сжатию
	ванию.		Но		он	может

быть с большим успехом применен, несмотря на его хрупкость, для резания стали и других вязких металлов, так как при этом действие силы резания распределяется на более широкой и бо­ лее удаленной от лезвия площадке.

Двухкарбидный твердый сплав меньше подвержен окислению при высоких температурах, чем однокарбидный. Поэтому исти­ рающее действие стружки оказывает на его поверхность более слабое влияние и он более износостойкий. Кроме того, и адгезия начинает сказываться при более высоких температурах. Оба эти обстоятельства в сочетании с большей хрупкостью двухкарбид­ ного твердого сплава предопределяют целесообразность его ис­ пользования при обработке стали и других вязких металлов, когда истирающее действие сплошной стружки делает невыгод­ ным применение однокарбидного сплава. Недостаточная вязкость двухкарбидного сплава, наоборот, делает его непригодным для обработки хрупких металлов.

Пластинки твердого сплава разнообразных форм и размеров напаивают красной медью или латунью в подготовленные гнезда державок и корпусов металлорежущих инструментов или крепят в них механически (см. рис. 241). Мелкие инструменты можно делать целиком из твердого сплава.

Инструментальные керамические сплавы

Недавно появившиеся в производстве керамические сплавы имеют в своей основе окись алюминия. Посредством прессования им придают форму пластинок, которые проходят специальную термическую обработку. По составу исходных материалов кера­ мические сплавы выгодно отличаются от металлических инстру­ ментальных материалов. Наиболее распространен керамический сплав ЦМ332.

Керамические сплавы обладают большой твердостью (91— 93HRA). Таким образом, твердость керамических сплавов на­ ходится на уровне твердости металлических твердых сплавов или даже несколько выше ее. Керамические сплавы имеют по сравнению с металлическими инструментальными материалами очень высокую теплостойкость, которая характеризуется темпе­ ратурой 1200° С, а также большую износостойкость.

Но наряду с положительными характеристиками некоторые свойства керамических сплавов на современной стадии их произ­ водства недостаточны для успешного их применения. Так, они обладают очень низким пределом прочности при изгибе — всего Оизг = 40 кг/мм2, т. е. значительно меньше предела прочности при изгибе металлических твердых сплавов, для которых эта величи­ на тоже является недостаточной, что обусловливает преждевре­ менную порчу лезвия вследствие выкрошивания. Тем более недо­ статочен предел прочности при изгибе керамических сплавов. Так же невысок и предел прочности при сжатии осж. Он состав­ ляет от 90 до 250 кг/мм2. Следовательно, и эта величина ниже показателя металлических твердых сплавов. Именно эти харак­ теристики механических свойств керамических сплавов и препят­ ствуют их широкому распространению, которое они заслуживают по другим своим качествам. Ввиду очень большой хрупкости керамические сплавы применяются только в чистовых работах для срезания тонкого и равномерного слоя металла.

Керамические пластинки напаивают латунью или чаще кре­ пят механически в гнездах державок или корпусов металлорежу­ щих инструментов.

Шлифовальные материалы

Естественные шлифовальные или абразивные материалы встречаются в природе. К ним относятся кварц, гранат, наждак, корунд и алмаз. Все естественные или природные материалы, за исключением алмаза, не однородны по составу, твердость, их сравнительно не велика и они имеют ограниченное применение. Алмаз представляет собой разновидность углерода. Его приме­ няют для резания очень твердых металлов, а также главным образом в виде порошков для правки шлифовальных кругов.

Искусственные шлифовальные или абразивные материалы по­ лучают плавлением в электрических печах соответствующих исходных материалов с последующим дроблением на зерна

ипросеиванием этих зерен через сита. Характеристикой шлифо­ вального материала служат его состав и зернистость.

Нормальный электрокорунд имеет цвет от розового и серо­ коричневого до темно-красного и темно-коричневого. Он содер­ жит от 87 до 97% окиси алюминия (А120з); обозначается буквой Э

ипоследующим числом. Зерна нормального электрокорунда имеют достаточную прочность, но не обладают очень большой твердостью. Они пригодны для резания незакаленной стали и се­ рого чугуна.

Белый электрокорунд, маркируемый буквами ЭБ и числом, может быть чисто-белым, серо-белым или розовым. Содержание в нем окиси алюминия колеблется от 96 до 99%. Его зерна менее прочны, чем зерна нормального электрокорунда, но они имеют более высокую твердость. Белый электрокорунд может быть использован благодаря своей твердости для резания закаленной углеродистой, легированной и быстрорежущей стали, но из-за недостаточной прочности он не пригоден для обдирочной работы.

Монокорунд содержит до 98% окиси алюминия и обозначает­ ся буквой М с числом. Его зерна имеют повышенные механиче­ ские свойства и делают его пригодным для всех видов обработки.

Черный карборунд от темно-синего до черного цвета содержит от 97 до 98% карбидов кремния (SiC), обозначается буквами КЧ с числом. Его зерна обладают большой прочностью, но не имеют очень большой твердости. Он пригоден для обработки белого и отбеленного серого чугуна.

Зеленый карборунд содержит не менее 97% карбидов крем­ ния SiC. Его обозначают буквами КЗ и числом. По прочности своих зерен он уступает черному карборунду, но их твердость значительно больше твердости зерен всех видов электрокорунда и больше твердости зерен черного карборунда. Зеленый карбо­ рунд благодаря высокой твердости применяют для резания твер­ дых сплавов.

Карбид бора черного цвета содержит 95% кристаллических карбидов бора (В4С). Твердость его зерен превышает твердость зерен всех остальных шлифовальных материалов и приближается к твердости алмаза. Поэтому его применяют для резания осо­ бенно твердых металлов, в частности твердых сплавов.

При изготовлении шлифовальных материалов их после плав­ ления в электрических печах дробят. Полученные при дроблении осколки называют зернами. Затем их просеивают, и таким обра­ зом получают размерные фракции. Всего имеется двадцать во­ семь номеров зернистости, которые объединены в три группы: шлифовальные зерна, шлифовальные порошки и микропорошки.

Шлифовальные зерна — это группа наиболее крупных зерен. Она охватывает четырнадцать номеров, из которых № 10 соот­ ветствует самым крупным зернам и №90 — самым мелким зернам в этой группе. Шлифовальные порошки — это средняя по зернисто­ сти группа. В ней восемь номеров. Из них № 100 соответствует са­ мым крупным зернам в этой группе и № 320 — самым мелким зер­ нам в ней. Микропорошки — это группа самых мелких зерен. Она объединяет шесть номеров, из которых № М-28 относится к самым крупным в этой группе зернам и № 5 — к самым мелким.

Зерна шлифовальных материалов являются режущими эле­ ментами. Из режущих зерен с применением связки делают шли­ фовальные круги, шлифовальные головки, шлифовальные сег­ менты, шлифовальные бруски и шлифовальные шкурки.

Режущая часть инструментов

Движения при резании

Для осуществления упругой и пластической деформаций, при­ водящих к разрушению граничного слоя, к металлорежущему инструменту или к обрабатываемому предмету прикладывается сила, в результате чего возникает относительное перемещение инструмента и предмета (рис. 243). Это движение вызывает ре­ зание, называется рабочим и обозначается буквой V.

Но продеформировать сразу все поперечное сечение подле­ жащего снятию слоя и срезать его за один проход можно только при небольших размерах этого сечения. Такие случаи в практи­ ке резания металлов встречаются редко. Обычно все поперечное сечение делится на слои, которые деформируются и срезаются последовательно один за другим. Таким образом, возникает не­ обходимость во втором движении. Это движение призвано обес­ печить продолжение резания после снятия каждого слоя. Оно называется движением подачи и обозначается через 5.

Движение подачи может быть периодическим и непрерывным (см. рис. 243). В первом случае движение подачи происходит после того, как инструмент срезал очередной слой металла и вер­ нулся в исходное положение. Во втором случае инструмент пе­ ремещается в направлении подачи все время с постоянной ско­ ростью.

По своему направлению каждое из двух движений может быть прямолинейным, как оба движения в первом случае и дви­ жение подачи во втором, или вращательным, как рабочее дви­ жение во втором случае.

Когда движение подачи происходит непрерывно, то направле­ ние движения резания получается в результате совмещения обоих движений, т. е. рабочего движения и движения подачи. Так, если

Рис. 243. Движения подачи:

а — прямолинейное рабочее и периодическое прямо­ линейное; б — вращательное рабочее и непрерывное

прямолинейное

Рис. 244. Направление резания

обрабатываемый предмет вращается, а инструмент имеет пря­ молинейное перемещение параллельно оси обрабатываемого предмета, то траектория любой точки на соприкасающихся по­ верхностях обрабатываемого предмета и инструмента представ­ ляет собой винтовую линию (рис. 244). При прямолинейном пе­ ремещении инструмента перпендикулярно оси вращающейся за­ готовки траектория той же точки принимает вид архимедовой спирали (рис. 243, б).

Рабочее движение V выполняется со значительно большей скоростью, чем движение подачи и измеряется в метрах в мину­ ту. Более медленное движение подачи 5 измеряется в милли­ метрах на двойной ход или в миллиметрах на оборот. Под двой­ ным ходом понимается прямой и обратный ход инструмента или заготовки при прямолинейном рабочем движении, а под оборо­ том один оборот их при вращательном рабочем движении.

Рабочие поверхности инструмента

Режущая часть инструмента, производящая деформацию и последующее разрушение металла в граничном слое, имеет в простейшем случае две рабочие поверхности (рис. 245, а). По­ верхность инструмента, обращенная к обрабатываемому предме­ ту, называется задней поверхностью, а поверхность инструмента, по которой сходит стружка, называется его передней поверх­ ностью. Линия пересечения задней и передней поверхности об­ разует лезвие инструмента. В действительности даже при самом тщательном шлифовании и полировании задней и передней по­ верхностей инструмента его лезвие не представляет собой пря­ мую линию в точном определении этого понятия, а бывает в той или другой степени округлено.

Имея всегда только одну переднюю поверхность, по которой сходит стружка, инструмент может иметь не одну, как в выше­ приведенном случае, а две или даже три задние поверхности, обращенные к обрабатываемому предмету (рис. 245, б и в ) . Пе­ ресекаясь с передней поверхностью, задние поверхности обра­ зуют в этих случаях два или три лезвия.

При наличии нескольких задних поверхностей та из них, ко­ торая обращена в сторону подачи, называется главной задней поверхностью, а остальные вспомогательными задними поверх­ ностями. Линия пересечения главной задней и передней поверх­ ностей образует главное лезвие, а линии пересечения вспомога­ тельных задних поверхностей и передней поверхности образуют вспомогательные лезвия.

Главная задняя поверхность может состоять из отдельных

участков,	расположенных	под тупым	углом друг	к другу
(рис. 246,	а). Тогда линия	пересечения	их с передней	поверх-

а

а

Рис.	245. Рабочие		поверхности		инструмента:		Рис.	246.	Главное	лезвие
а — с одной		задней поверхностью;		б — с двумя задними		по­		инструмента:
верхностями;		в — с тремя	задними	поверхностями; / — глав­			а — ломаное-		б — криволиней­
ная задняя		поверхность;	2 — вспомогательная задняя			по­	ное;	/ — главная задняя		поверх­
верхность;	3	— передняя	поверхность;		4 — главное лезвие;		ность; .2 — главное лезвие
		б — вспомогательное		лезвие

Поверхностями резания назы­ ваются поверхности, образуемые на металле главным и вспомога­

тельным лезвиями (рис. 247). Часть поверхности резания, остав­ шаяся после прохода главното лезвия, в дальнейшем при следу­ ющем ходе срезается вспомогательным лезвием.

После прохода инструмента на металле остаются чередую­ щиеся поверхности резания. В этих чередованиях, поверхности резания, образованные главным лезвием, неполные, а поверхно­ сти резания, образованные вспомогательным лезвием, полные. Поверхность, состоящая из чередующихся неполных и полных поверхностей резания, называется обработанной поверхностью.

Внешняя поверхность срезаемого слоя называется обрабаты­ ваемой поверхностью, хотя ее и не обрабатывают. Она только превращается из внешней поверхности срезаемого слоя во внеш­ нюю поверхность стружки, которая получается в результате де­ формации и отделения срезаемого слоя. Таким образом, назва­ ние обрабатываемой поверхности является условным, а сама эта поверхность не всегда может быть определена.

1 — поверхность резания, образованная главным лезвием; 2 — поверхность ре­

зания образованная вспомогательны лезвием; 3 — обработанная поверхность; 4 — обрабатываемая поверхность

Поверхности заготовки

ностью дает ломаное главное лезвие. Крайние участки главной задней поверхности, примыкающие к вспомогательным задним поверхностям, иногда называют переходными задними поверх­ ностями, а образуемые ими в пересечении с передней поверх­ ностью лезвия, — переходными лезвиями. Увеличение количества участков главной задней поверхности и, следовательно, участков ломаного главного лезвия приводит к образованию криволиней­ ного лезвия (рис. 246, б). Криволинейное главное лезвие может

плавно переходить в прямые или криволинейные вспомогательные лезвия.

Периметр поперечного сече­ ния срезаемого слоя на части своей длины представляет грани­ цу, по которой этот слой отделя­ ется от основной массы металла, т. е. границу, на которой проис­ ходит разрушение наиболее де­ формированного металла перед лезвиями инструмента. При этом главное лезвие образует более длинную часть этой границы, а вспомогательные лезвия — бо­ лее короткую.

Рис. 247. Поверхности заготовки: