Общие сведения о механической обработке материалов.

Основой машиностроения является использование в качестве объекта таких материалов как конструкционные стали, чугуны, цветные металлы и сплавы. Их основными характеристиками являются: s_В - временное сопротивление на разрыв ( предел прочности ), s_t - предел текучести, НВ ( HRC ) - твердость.

Наиболее употребимые конструкционные стали с содержанием углерода ( С ) до 0.6% классифицируют:

- углеродистые конструкционные стали Сталь 10...60,

- хромистые конструкционные стали 20Х....40Х,

- хромоникелевые конструкционные стали 20ХН...30ХН,

- хромоникелево - марганцовые, - вольфрамовые и - молибденовые 30ХГСА, 30ХНВ, 30ХНМ.

Высоко легированные стали употребляются редко, в основном для специальных изделий.

Наиболее распространенные чугуны:

серый чугун СЧ 12-28...СЧ 24-44,

ковкий чугун КЧ 33-8 и т.п.

Из цветных металлов и их сплавов широко применяются: бронза, латунь, алюминий, никель, титан и их сплавы.

Основу широкого распространения данных материалов являются их высокие прочностные характеристики в незакаленном состоянии ( s_В до 1.1 ГПа - 110 кгс/мм² и более, s_t до 950 МПа, НВ 126...265 ). При проведения термической операции - улучшение или пластической деформации данные характеристики можно увеличить в 1.2...1.4 раза. При закалке они увеличиваются еще более значительно.

Высокие механические характеристики материалов требуют при изменении формы изделия в процессе изготовления приложения значительных усилий, что ведет к снижению точности обрабатываемых поверхностей. Так даже при точной штамповке допуск на изготовление более 0.2 мм. Для повышения точности следует снижать усилие обработки за счет локализации контакта обрабатываемой поверхности и инструмента и уменьшения размеров снимаемого слоя. Это приводит к необходимости обработки деталей резанием даже в настоящее время.

Требования, предъявляемые к инструментальным материалам.

Режущий клин 1 инструмента, воздействуя на срезаемый слой 2, толщиной a, превращает его в стружку 3.

Срезаемый слой через стружку давит на переднюю поверхность инструмента с нормальной силой N , создавая в пределах пло­щадки контакта l _п среднее контактное нормальное напряжение равное

,

где b - ширила срезаемого слоя.

Это напряжение достигает зна­чений 500.. .700 МПа. В резуль­тате деформации срезаемого слоя, трения стружки, перемещающейся относительно передней поверх­ности со скоростью 2...4 м / сек.,образуется теплота и на перед­ней поверхности устанавливается температура 900...1300°К.

Такие условия работы режу­щего клина выдвигают следующие требования к материалу, из ко­торого он изготовлен:

1. Достаточно высокая твердость Н_и инструментального материала, превосходящая твердость обрабатываемого материала Н₀ . Чем больше отношение Н_и / Н₀ при прочих равных условиях, тем мате­риал инструмента совершеннее.

2. Высокая механическая прочность, т. е. хорошая сопротивля­емость на изгиб s_и в сочетании с высоким проделом прочности на сжатие, высокой выносливостью и ударной вязкостью.

3. Высокая теплостойкость, т.е. способность сохранять свою твердость и режущие свойства при нагревании. Теплостойкость характеризуется критической температурой Q_кр, т.е. той мак­симальной температурой, при которой материал нагревают в те­чение 4 часов и он не изменяет твёрдость ниже НRС58...60.

4. Материал инструментов должен быть износостойким, т.е. способным сопротивляться изнашиванию и истиранию.

5. Инструментальные материалы должны обладать хорошей обрабатываемостью, т.е. возможностью подвергаться ковке, резанию, термообработке, шлифованию.

6. Инструментальные материалы должны быть по возможности дешевыми и не содержать в себе дефицитные элементы.

Материалы, используемые для изготовления режущей части инструментов.

Материалов, удовлетворяющих всем перечисленным требованиям, в настоящее время не создано. Имеющиеся их отдельные группы обладают различными свойствами. Эти свойства определяют и специфику применения инструментальных материалов.

I. Углеродистые инструментальные стали.

Это стали с высоким содержанием углерода - 0.8...1.3%. Их некоторые марки: У8А,У9А,...У1ЗА. Стали относительно дешевы, прочны, хорошо работают на изгиб. После калки при повер­хностной твёрдости НRС61...63 сердцевина может оставаться вязкой. Стали имеют низкую критическую температуру, поэтому при­меняются при изготовлении недорогого ручного инструмента или машинного инструмента, работающего при небольших скоростях резания. Это зубила, напильники, шаберы, метчики, плашки, развертки, мелкие свёрла. Q_кр = 470...520°К, скорости резания, при которых работают углеродистые стали 0,2...0,3м/сек.

2. Легированные инструментальные стали.

Это углеродистые стали с небольшой добавкой легирующих элемен­тов: хрома/Х/, марганца/Г/, вольфрама/В/, кремния/С/. Наиболее распространённые марки: ХВ5, ХВГ, 9ХС, ХВСГ, ХГС. Некоторые из этих сталей мало коробятся после калки, и поэтому из них делают длинномерные инструменты /протяжки/, а также инструменты, не шлифуемые после термообработки - фасонные затылованные фрезы, плашки, метчики. Твёрдость - HRC63...65, критическая температура порядка 520°К. Скорость резания 0,3...0,4м/сек.

3. Быстрорежущие /высоколегированные/ стали

Стали содержат от 0.8 до 1.1% углерода и большие добавки легиpyющиx элементов: вольфрама, молибдена/М/, ванадия/Ф/, кобальта /К/. Наличие карбидообразующих элементов в этих сталях существенно увеличивает их теплостойкость и износостойкость. В настоящее время разработано более 30 марок быстрорежущих сталей, часть из которых стандартизованы и освоены промышленностью.

K наиболее распространенным быстрорежущим сталям относятся: PI8, PI2, Р9, Р6М5 /Р - сталь для резания, быстрорежущая, 6% вольфрама, 5% молибде­на/. Во всех сталях имеется до 4% хрома и 1,5...2,5% ванадия. Основной выпуск /75...80%/ приходится на быстрорежущую сталь Р6М5. Р18 и Р9 по своим режущим свойствам примерно одинаковы. Сталь P9 хуже шлифуется, но в два раза дешевле, чем PI8, более прочна и теплопроводна. В стали РбМ5 вольфрама 6%, но добавка молибдена по­вышает её прочность на изгиб до 3100...3300 МПа и снижает крити­ческую температуру до 850...860°К. Твердость НRС63...65. Быстрорежущие стали идут на изготовление почти всей номенклатуры инструмента.

4. Твёрдые сплавы /металлокерамика/.

Твёрдые сплавы для режущего инструмента изготавливаются в виде пластин различной формы и размеров, получаемых методом порошковой металлургии. К корпусу инструмента пластины крепят с помощью пайки или различными механическими устройствами.

Промышленность выпускает три группы твёрдых сплавов на основе вольфрама:

1. однокарбидные, сплавы типа ВК /содержат Сo, WC/ - ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВK6, ВК6М, BK60M,ВК8, BK1О, ВК1ОМ, ВК10ОМ, ВК10ХОМ;

2. двухкарбидные, сплавы типа ТК /содержат Со, WC, TiC / -ТЗОК4, TI5K6, TI4K8, T5K10;

3. трёхкарбидные, сплавы типа ТТК /содержат Сo, WС, TiС, TaC/ - ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8Б и др.

Расшифровка состава сплава: Т15К6 - 15% карбида титана, 6% кобальта, остальное / 79%/ - карбид вольфрама.

При обра­ботке материалов, дающих стружку надлома - чугунов, бронз, пластмасс и т.п, когда площадка контакта по передней поверхно­сти l_n мала, напряжения сжатия на ней большие, но температура в зоне резания невелика, применяют сплавы группы ВК /по ISO -К/.При обработке материалов, дающих сливную стружку используют сплавы группы ТК /Р/.

Сплавы группы ТТК /W применяют в особо тяжелых условиях обработки, при больших глубинах резания больших подачах, резании с ударами, работе по литейной или штамповочной корке.

5. Режущая керамика /минералокерамка/.

В настоящее вpeмя режущая керамика выпускается в виде много­гранных неперетачиваемых пластин трёхгранной, четырёхгранной, ромбической и круглой формы, получаемых методом порошковой ме­таллургии. Различают два вида керамики: окисную и окисно-карбидную. Окисная керамка состоит из окиси алюминия Al₂O₃ /99.2%/ и окиси магния /0.8%/. Её основные марки -ЦМ332, ВОК60. Керамика имеет белый цвет. В окисно-карбидной керамике помимо оки­си алюминия есть значительные добавки карбидов. Марки этой керамики: В3 /25% TiC, Мо₂С, WС, остальное - окись алюминия/, ВОК60 /20% TiC, остальное - Al₂O₃/ ВОК63 /20% TiC, 1% Со и Ni, остальное - Al₂O₃/. Керамика имеет черный цвет. Свойства окисной керамики: НRA92, s_u= 450...500 МПa, окисно-карбидной: НRА93...94, s_u= 600...750 МПа. У обоих типов Q _кр =1470... 1520°К.

Окисная керамика используется при чистовой и получистовой обработке сталей /НRС до 35/, ковких и серых чугунов /НВ до 200/; окисно-карбидная - при чистовой и получистовой обработке закалённых сталей /HRС45...65/, отбелённых и прочных чугунов. Пластинками из режущей керамики оснащают резцы, торцовые фрезы. Скорость резания 4...5м/сек.

6. Алмазы.

Для изготовления инструментов используются как естественные, так и искусственные /синтетические/ алмазы весом от 0,3 до 0,75 карата /1карат=0,2г/. Алмазы исполь­зуют при чистовой обработке цветных металлов, титановых спла­вов, прочных пластмасс, стекла, керамики. Алмазами оснащают проходные и расточные резцы, торцовые фрезы, специальные сверла. Большое количество алмазов идет на изготовление шлифовальных кругов.

7. Нитрид бора (КНБ).

Нитрид бора - это синтетический инструментальный' материал того же назначения, что и алмазы. Технология его изготовления сходна с технологией изготовления алмазов. Для лезвийного инструмента наша промышленность выпускает поликристаллы раз­мером 4...8 мм под торговой маркой "композит": композит 01 /ЭЛЬБОР-Р/, композит 02 /белбор/, композит 05 /05И/, композит 10 /гексанит-Р/. Композиты 01, 02 применяют при чистовом точении сталей /HRC 50...70/, чугунов, твердых сплавов. Композит 10 - при обработке сталей / HRC 45...60/ с ударной нагрузкой, чугунов, твёрдых сплавов группы ВК. Композитами оснащают токарные резцы / проходные, расточные, подрезные/, торцовые фрезы. Большая часть нитрида бора идет на изготовление шлифовальных кругов.