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 (HRC_э 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 (НКС_Э 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 (НКСЭ 62 ... 65) имеет красностойкость 600 ... 640 °С и обладает повышенной износостойкостью;

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; титановольфрамовую - ТЗОК4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титанотанталовольфрамовую - ТТ7К12, ТТ10К8Б. Пластинки твердого 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 чугунов, 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 аустенитного 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.

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 А1₂О₃ с легирующими добавками MgO, ZrO₂ и др. Марки керамики: ЦМ332, ВО-13. Применяют для чистовой и получистовой обработки незакаленных сталей и серых чугунов со скоростями резания до 15 м/с.

Оксидно-карбидная "черная" керамика, состоящая из Al₂O₃ (до 60 %), TiC (20 ... 40 %), ZrO₂ (20 ... 40 %) и других карбидов тугоплавких металлов. Марка керамики ВОК-60. Применяют для чистовой и получистовой 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 получистовой 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.