03 Инструментальные

Инструментальные
материалы
Группы инструментальных материалов
Режущие части металлорежущих инструментов
изготавливают из инструментальных материалов, к
которым относятся:
1. Быстрорежущие стали.
2. Твердые сплавы.
3. Минералокерамика.
4. Сверхтвердые материалы.
Быстрорежущие стали
Быстрорежущие стали представляют собой высоколегированные стали, содержащие около
1 % углерода, основными легирующими элементами в которых являются вольфрам и
молибден. Стали повышенной теплостойкости, обеспечивающие более высокие режимы
резания и дающие возможность обрабатывать труднообрабатываемые материалы, содержат
дополнительно в качестве легирующего элемента кобальт. Наиболее эффективны режущие
инструменты из порошковых быстрорежущих сталей, обладающих большей прочностью.
Часто из таких сталей изготавливают метчики для обработки труднообрабатываемых
материалов, т.к. в этом случае важно обеспечить прочность режущих кромок малого размера.
Основное достоинство быстрорежущих сталей – высокая прочность. Недостаток – низкая
теплостойкость (способность сохранять свойства при повышенных температурах), из-за чего
скорости резания быстрорежущим инструментом невысоки.
Из быстрорежущих сталей изготавливают в первую очередь осевой, зубообрабатывающий и
резьбонарезной инструмент: сверла (рис. 2.1), концевые фрезы, развертки, зенкеры, метчики,
плашки, червячные модульные фрезы и др.
Области применения быстрорежущих
инструментов
1.
Низкая жесткость технологической системы, вибрации при резании, работа с
большими вылетами инструмента, ударные нагрузки, т.е. те случаи, когда важна
прочность инструмента.
2.
Единичное и мелкосерийное производство дешевых деталей, когда требования
по производительности невысоки, т.к. стоимость быстрорежущего инструмента в
большинстве случаев значительно меньше, чем твердосплавного.
3.
Некоторые режущие инструменты в принципе изготавливаются только из
быстрорежущих сталей, например, плашки, сверхдлинные спиральные сверла
длиной до 100 диаметров, что связано с особенностями работы этих
инструментов (низкие скорости резания, большие вылеты), когда
нецелесообразно применять твердые сплавы.
4.
Быстрорежущими инструментами возможна обработка материалов твердостью
не выше 45 HRC.
Виды быстрорежущих сталей
1.
Стали нормальной теплостойкости: широко распространенная отечественная
марка Р6М5 (содержит 6 % вольфрама и 5 % молибдена), иностранные марки
сталей такого типа как правило имеют обозначение HSS.
2.
Стали повышенной теплостойкости: отечественная сталь Р6М5К5 (содержит 6
% вольфрама, 5 % молибдена, 5 % кобальта), иностранные марки часто имеют
обозначение HSS-Co.
3.
Порошковые стали имеют обозначение HSS-XP, SPM и др., которые как
правило у каждого производителя инструмента свои.
Твердые сплавы
Твердые сплавы являются наиболее распространенными инструментальными материалами,
инструментами из которых снимается основной объем стружки. Твердые сплавы
представляют собой металлокерамические спеченные порошковые композиты, содержащие
зерна карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, титана, тантала), кобальтовую связку и ряд
легирующих элементов, выполняющие вспомогательные функции, например,
обеспечивающие измельчение карбидных зерен. Высокая твердость и теплостойкость твердых
сплавов позволяет достигать высоких скоростей резания и обрабатывать материалы
твердостью до 70 HRC. Использование при производстве твердых сплавов дорогостоящих
редкоземельных металлов, а также сложный энергоемкий технологический цикл их
производства приводят к высокой цене твердых сплавов, что, однако, компенсируется высокой
производительностью твердосплавного инструмента.
Из твердых сплавов изготавливают сменные многогранные пластины (СМП), сменные
режущие части, напайные пластины и монолитные инструменты (концевые и дисковые фрезы,
сверла, развертки, метчики и др.) (рис. 2.2 – 2.5).
Примеры твердосплавных инструментов
Примеры твердосплавных инструментов
Группы твердых сплавов
1.
Однокарбидные твердые сплавы. В качестве основной режущей фазы содержат карбид
вольфрама. Некоторые отечественные марки: ВК6, ВК6ОМ; иностранные H10F, H13A,
HTi10 и др. Основная область применения однокарбидных твердых сплавов –
монолитные инструменты, и СМП для обработки легких сплавов, а также вязких
материалов.
2.
Двух- и трехкарбидные твердые сплавы. В качестве основной режущей фазы содержат
сложные карбиды титана, тантала и вольфрама. Некоторые отечественные марки (без
покрытий): двухкарбидный сплав Т5К10, трехкарбидный ТТ20К9; иностранные сплавы
как правило служат основой для нанесения износостойких покрытий и в чистом виде
не применяются. Наиболее яркие примеры: Sandvik GC4225, Sandvik GC1030,
Mitsubishi VP15TF. Основная область применения таких сплавов – сменные
многогранные пластины.
3.
Безвольфрамовые твердые сплавы (керметы). В качестве основной режущей фазы
содержат карбиды и карбонитриды титана. Обладают большей износостойкостью, но
меньшей прочностью по сравнению с предыдущими группами сплавов. Применяются
керметы с покрытием и без. Керметы используются для чистовой обработки, чему
способствует специфический характер износа – кромка инструмента изнашивается
округлением, а не образованием фаски, благодаря чему больше стабильность
получаемых размеров деталей. Примеры: Sandvik CT5015 (непокрытый), Sandvik
GC1525 (кермет с покрытием), Mitsubishi NX2525.
Минералокерамика
Минералокерамика представляет собой высокопроизводительный
инструментальный материал основу которого составляют оксиды, карбиды или
нитриды алюминия и кремния. Вместе с твердыми сплавами минералокерамика в
настоящее время составляет основу эффективной металлообработки, позволяя
благодаря высокой твердости и теплостойкости использовать максимально высокие
скорости резания. Растущее распространение минералокерамики также связано с
отсутствием в ее составе редкоземельных металлов. Из минералокерамики
изготавливают только сменные многогранные пластины для токарной и фрезерной
обработки. Высокая теплостойкость минералокерамики позволяет применять ее для
«сухой» обработки, т.е. без использования СОЖ, что существенно снижает
себестоимость обработки резанием и уменьшает вредное воздействие на здоровье
людей и окружающую среду. Минералокерамика обеспечивает высокое качество
обработки благодаря стабильности термохимических свойств и низкой адгезии с
обрабатываемым материалом.
Группы минералокерамики
1.
Белая оксидная керамика. Содержит в качестве основной фазы оксид алюминия и дополнительно
оксид циркония для повышения трещиностойкости. Данная керамика имеет высокую химическую
стойкость, но недостаточную теплостойкость. Применяется для обработки серого чугуна. Пример:
Sandvik CC6220 (с покрытием).
2.
Оксидокарбидная (смешанная) керамика. Кроме оксида алюминия содержит карбиды или
карбонитриды титана. Эта керамика обладает высокой прочностью и теплопроводностью. Пример:
Sandvik CC6050, CC650 – покрытые керамики соответственно для легкой обработки закаленных
материалов и для обработки серого чугуна и закаленных материалов, а также получистовой обработки
жаропрочных сплавов.
3.
Армированная керамика. Для повышения прочности содержит нитевидные кристаллы карбида
кремния, благодаря чему возможно применение СОЖ при резании такой керамикой. Такая керамика
является лучшим выбором для обработки сплавов на основе никеля. Пример: Sandvik CC670 –
покрытая керамика для тяжелой токарной обработки и фрезерования никелевых сплавов, а также
точения материалов высокой твердости в неблагоприятных условиях.
4.
Нитридная керамика. Состоит из кристаллов нитрида кремния удлиненной формы, образующих
самоармирующийся материал высокой прочности. Применяется для обработки серого чугуна, однако
для обработки других материалов малопригодна из-за низкой химической стойкости по сравнению с
другими видами керамики. Пример: Sandvik CC6190, CC6090 – керамики для всех видов точения и
фрезерования без СОЖ разных видов чугуна.
5.
Сиалоны. Минералокерамика из оксинитрида кремния и алюминия сочетает в себе прочность
самоармирующейся структуры из нитрида кремния и улучшенную химическую стойкость. Идеально
подходит для обработки жаропрочных сплавов. Пример: Sandvik CC6060, CC6065 – керамики
соответственно для легкой и тяжелой обработки жаропрочных сплавов.
Все выше перечисленные виды керамики могут иметь PVD-покрытия, повышающие работоспособность
и позволяющие лучше контролировать фаску износа.
Сверхтвердые материалы
К сверхтвердым материалам (СТМ) относятся кубический нитрид бора (КНБ, в английской
транскрипции CBN) и поликристаллический алмаз (ПКА, соответственно – PCD). Эти
материалы обладают самой высокой твердостью и износостойкостью, но одновременно и
наименьшей среди инструментальных материалов прочностью.
Из КНБ изготавливают токарные пластины для получистовой и чистовой токарной обработки
чугунов и закаленных сталей, причем возможна обработка материалов твердостью 60 – 70
HRC. При этом допускается как легкая обработка, так и резание с ударами. Применение КНБ в
ряде случаев позволяет исключить необходимость абразивной обработки на чистовых
операциях. Режущие пластины могут быть целиком изготовлены из КНБ или иметь режущие
элементы из КНБ на рабочих уголках, что более экономично (рис. 2.6). Кроме этого
применяются концевые фрезы с напайными пластинами из КНБ для чистового фрезерования
закаленных сталей, а также фрезерные пластины для обработки чугуна. Пластины из КНБ
могут иметь износостойкие PVD-покрытия. Обработка инструментами из КНБ производится
без применения СОЖ во избежания растрескивания инструмента под воздействием
термоудара. Пример КНБ: Sandvik CB7015, отечественный КНБ «эльбор».
Из ПКА изготавливают режущие элементы пластин, предназначенных для обработки
цветных сплавов, в основном на основе алюминия и магния, а также композитных
материалов на основе углеродного волокна. Кроме сменных токарных и фрезерных пластин
из ПКА изготавливают фрезы и сверла с напайными пластинами. Применение ПКА
позволяет при обработке алюминия достигать скоростей резания до 3000 – 4000 м/мин.
Возможно использование ПКА для суперфинишной обработки титана с СОЖ.
Использование ПКА для обработки черных металлов недопустимо, т.к. из-за высокого
химического сродства углерода алмаза и железа происходит быстрый износ инструмента.
Пример: Sandvik CD10.
Рисунок 2.7 наглядно иллюстрирует соотношение прочности и износостойкости
инструментальных материалов, позволяя определить необходимость использования
инструмента из того или иного материала исходя из условий обработки. Следует отметить,
что из-за низкой прочности на изгиб керамических пластин и пластин из КНБ вдоль их
режущей кромки делается упрочняющая фаска.
Критерии выбора инструментального
материала
1.
Материал обрабатываемой заготовки.
2.
Состояние обрабатываемого материала (вид термообработки, твердость, наличие
внутренних включений типа кристаллического кремния, графита и т.п.).
3.
Состояние поверхности заготовки (наличие литейной или ковочной корки, раковины,
включения и т.п.).
4.
Равномерность припуска, наличие на пути инструмента выемок или выступов,
которые могут привести к ударам при резании.
5.
Жесткость заготовки.
6.
Требования по точность получаемых размеров и форме поверхностей, качество
обработанной поверхности.
7.
Размеры обрабатываемых поверхностей.
8.
Технологические возможности металлорежущего оборудования.
9.
Программа выпуска изделий.
Правильный выбор материала инструмента позволяет снизить себестоимость обработки
резанием и увеличить прибыльность предприятия.
Обозначения материалов по ISO
В связи с тем, что практически все производители инструментов используют собственные
фирменные обозначения инструментальных материалов в международной системе ISO принято
классифицировать инструментальные материалы по области применения. При этом все
обрабатываемые материалы разбиты на 6 групп, обозначаемые латинской буквой и цветом (рис.
2.8).
1.
Р (синий) – углеродистые стали в состоянии поставки и термообработанные, твердостью
до 43 HRC.
2.
М (желтый) – нержавеющие стали.
3.
К (красный) – чугуны (кроме отбеленных высокой твердости).
4.
N (зеленый) – вязкие сплавы на основе алюминия и меди, а также неметаллические
материалы (пластики, не содержащие абразивных включений).
5.
S (бежевый) – титановые сплавы и жаропрочные сплавы на основе никеля, кобальта и т.д.
6.
Н (серый) – материалы высокой твердости (стали твердостью свыше 43 HRC,
отбеленные чугуны, графит, композиты на основе углепластиков, термообработанный
поликарбонат и пр.).
К букве добавляется числовой индекс, обозначающий условную тяжесть обработки. Чем выше
число, тем тяжелее условия обработки. В качестве примера легких условий обработки можно
привести – постоянный равномерный припуск, отсутствие ударов, отсутствие корки на
заготовки и включений высокой твердости. Например, легкими условиями будут условия
точения предварительно обработанного вала без пазов, отверстий и ступеней. Пример
тяжелых условий обработки – неравномерный припуск, удары, колебания твердости, корка.
Например – обдирка на токарной операции чугунной отливки с остатками литников после
литья в землю.
Примеры обозначения:
Р10 – легкие условия обработки стали.
М30 – тяжелые условия обработки нержавеющей стали.
На рис. 2.9 приведен пример таблицы выбора твердого сплава в зависимости от условий
обработки.