МАТЕРИАЛЫ, ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ РЕЗАНИЕМ.

Сущность технологии изготовления деталей машин и механизмов заключается в воздействии на заготовку различными технологическими способами и методами с целью придания ей соответствующей формы, точности размеров и шероховатости поверхности для качественного и надежного выполнения изготавливаемой детали своих функциональ­ных обязанностей.

Технология обработки осуществляется инструментом и ведется на соответст­вующем оборудовании.

Детали машин и механизмов изготавливаются из конструкционных материалов (металлов).

Основными конструкционными материалами являются:

- черные металлы (сплавы на основе железа);

- цветные металлы (сплавы на основе меди, алюминия, титана и др.);

Одной из основных характеристик конструкционных материалов является обра­батываемость резанием.

По обрабатываемости все конструкционные металлы подразделяются на 4 ос­новные группы:

1.Легкообрабатываемые (цветные металлы и сплавы на основе меди, алюминия,
серые чугуны с НВ< 160);

2.Средней обрабатываемости (углеродистые и низколегированные стали, чугу­ны твердостью НВ< 180);

3.Ниже средней обрабатываемости (высоколегированные качественные конст­рукционные стали, стали мартенситного, мартенситно - ферритного и аустенитно -

мартенситного классов, чугуны с НВ 190÷240);

4.Труднообрабатываемые (высоколегированные стали аустенитного класса, жа­ропрочные и кислостойкие стали, специальные никелеферритовые и никелевые сплавы,
титановые сплавы, тугоплавкие сплавы).

В характеристике конструкционных материалов всегда учитываются твердость НВ и предел прочности на расстояние .

Между данными показателями установлена следующая зависимость дли сталей различных марок

,

где к - коэффициент соотношения между твердостью и пределом прочности ма­териала.

к= 0,27 - для сталей обыкновенного качества, углеродистых конструкционных качественных сталей;

к = 0,31 - для низколегированных сталей;

к = 0,41 - для высоколегированных сталей.

1.2 ТРЕБОВАНИЯ К ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ

Производительность обработки резанием, а также высокое качество, обеспечи­вающее надежность и долговечность изделий во многом зависит от материала режущей части инструмента (инструментального материала).

Для обеспечения качественной высокопроизводительной обработки, материалы, применяемые при изготовлении режущей части инструментов, должны обладать следую­щими основными свойствами:

1.Высокой твердостью(в несколько раз превосходящей твердость обрабаты­ваемого материала);

2.Высокой прочностью(прочность характеризуется пределом прочности при

изгибе, сжатии и ударной вязкостью);

3.Высокой теплостойкостью(наивысшей температурой, при которой материал
сохраняет свою твердость (инструмент - режущие свойства)).

4.Высокой износостойкостью(способностью инструментального материала
сопротивляться износу инструмента по его передней и задней поверхностям в процессе

резания);

5.Упругостью(высоким сопротивлением малой пластической деформации);

6.Высокой теплопроводностью(способствующей отводу тепла из зоны реза­ния);

7.Технологичностью(к которой относят обрабатываемость, закаливаемость,

прокаливаемость, устойчивость против перегрева, окисления, отсутствие склонности к обрабатыванию трещин при пайке, заточке, доводке и т.д.);

8.Экономичностью(достаточно приемлемой стоимостью).

Инструментальные материалы в той или иной степени, отвечающие перечислен­ным требованиям, подразделяются на следующие основные классы:

1.Инструментальные углеродистые и легированные стали;

2.Быстрорежущие стали;

3.Твердые сплавы;

4.Режущая минералокерамика;

5.Сверхтвердые инструментальные материалы.

Наиболее распространенным инструментальным материалом являются быстро­режущая сталь (66 % инструмента) и твердые сплавы (32%), из которых изготавливают до 98% всего объема инструмента. Эти материалы относительно легко поддаются обработке, устойчивы к перегреву, окислению, характеризуются меньшей склонностью к образова­нию трещин при пайке, сварке, хорошо шлифуются и затачиваются.

1.3 ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫБОРА МАРОК ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ИНСТРУМЕНТОВ

1.3.1 Быстрорежущие стали.

Быстрорежущими сталями называются, стали с содержанием вольфрама от 5,5% до 19,5%. Номенклатура как отечественных, так и зарубежных марок инструментальных сталей чрезвычайно велика. Наиболее рациональным считается специализация быстрорежущих сталей по областям их применения.

Согласно стандартов ИСО 4957-80 быстрорежущие стали, подразделяются:

1.Быстрорежущие стали обычной производительности HSS (High Speed Steel)
(температура теплостойкости не менее 620°С). Предназначены для обработки обычных
конструкционных материалов - сталей с < 1000 МПа, чугунов НВ 140+180. В этих сталях не содержится ванадий и кобальт, из-за чего они обладают достаточно высокой прочностью < 3000 МПа.

2.Быстрорежущие стали повышенной производительности (обозначаются HSS-
Е, HSS-C₀ (HSS-K)) (Температура теплостойкости не ниже 640°С, твердость после закалки
до 70 HRC). Для этих сталей характерны повышенное содержание карбидообразующих
(W+2M_o>10%) и легирующих элементов, в частности кобальта >5% и ванадия >3%.

Стали этой группы применяют для изготовления инструмента, применяемого для обработки труднообрабатываемых материалов. Инструменты из кобальтовых сталей применяют для черновой, обдирочной обработки, а из высокованадиевых сталей - для получистовой и чистовой обработки.

В соответствии с ГОСТ 19265-73 (в ред. 1991г.) быстрорежущие стали подразде­ляются на три основные группы (см. табл. 1):

1.Быстрорежущие стали нормальной производительности (что соотв. HSS),
предназначенные для изготовления инструмента, обрабатывающего в основном конст­рукционные стали с твердостью до 280 НВ, ферритно - перлитные чугуны и цветные ме­таллы и сплавы.

2.Быстрорежущие стали повышенной производительности с увеличением содержания углерода, ванадия и кобальта, предназначенные для изготовления инструмента, обрабатывающего конструкционные стали и перлитные чугуны с твердостью более 280НВ.

3.Быстрорежущие стали высокой производительности (температура теплостой­кости 680÷725°С). Эти стали характеризуются пониженным содержанием углерода, но
весьма большим количеством легирующих элементов за счет этого твердость этих сталей
до 68...72 HRC. Наиболее рациональная область их применения - резание труднообраба­тываемых материалов и титановых сплавов.

Перспективным направлением в повышении качества быстрорежущих сталей является получение их методами порошковой металлургии. Стали Р6М5К5-П (П-порошковая), Р9М4К8-П, Р12МЗФЗК10-П и др. имеют очень однородную и мелкозерни­стую структуру, хорошо шлифуются, меньше деформируются при термообработке, отли­чаются стабильностью эксплуатационных свойств. Стойкость возрастает в 1,5÷2 раза.

Наряду с порошковыми быстрорежущими сталями хорошо зарекомендовали се­бя так называемые карбидостали с содержанием до 20% TiC, которые по своим характе­ристикам занимают промежуточное место между быстрорежущими и твердыми сплавами.

Таблица 1- Основные марки быстрорежущих сталей и область их применения.

Марки сталей	Температура тепло­стойкости, Т°С	HRC после термооб­работки	Характерные физико-механические свойства	Область применения
Р18		63...65	Удовлетворительная прочность, повы­шенная износостойкость при малых и средних скоростях резания	Все виды режущего инструмен­та при обработке углеродистых сталей и легированных конст­рукционных сталей (автомат­ные резцы, дисковые и конце­вые фрезы, долбяки, протяжки, прошивки, метчики)
Р12		63...65	Близкие к свойствам Р18, но более высо­кие, «горячая» пластичность и прочность, вязкость	В основном инструмент для пластичной деформации, а также для обработки некото­рых видов коррозионно-стойкой стали.
Р9		63...65	Близкие к свойствам Р18, но обладает лучшими механическими свойствами	Инструменты простой конст­рукции для чистовой и полу-чистовой обработки конструк­ционных материалов. Дерево­обрабатывающий инструмент.
Р6М5		64...66	Повышенная прочность, повышенная склонность к обезуглероживанию и вы­горанию молибдена	Все виды инструмента для обработки углеродистых и среднелегированных сталей с <900-1000 МПа. Предпочтительно изготовление резьбообработки инструмента и инструмента работающего с ударными нагрузками.

Продолжение таблицы 1

Продолжение таблицы 1

1.3.2 Твердые сплавы.

Твердые сплавы представляют собой конгломерат мельчайших зерен карбидов тугоплавких металлов, связанных металлическим кобальтом и никелем. Массовая доля карбидов в твердых сплавах на кобальтовой основе составляет 75-97%, на никелевой основе 61-79%. Теплостойкость твердых сплавов различных марок составляет 800-4000°С. Твердость не менее 87...92 HRA.

По способу получения твердые сплавы подразделяются на литейные и получен­ные методом спекания. Литейные твердые сплавы для изготовления режущих инструмен­тов не применяются.

В зависимости от обрабатываемого материала и характера обработки (видов об­разующейся стружки) твердые сплавы согласно классификации стандартов ИСО подраз­деляются на 6 групп по областям применения (Р, М, К, N, S, Н).

Группы резания в свою очередь подразделяются на группы применения, которые обозначаются буквой (группа резания) и числовым индексом (группа применения). Чем выше число индекса в обозначении групп применения, тем ниже износостойкость твердо­го сплава и допустимые скорость резания и толщина среза (подача и глубина резания).

В зависимости от состава карбидной фазы и связки, обозначение твердых спла­вов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В - вольфрам, Т -титан, вторая буква Т - тантал) и связки (К - кобальт). Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид вольфрама, опреде­ляется разностью между 100% и массовой долей связки. В соответствии с ГОСТ 3882-74 вольфрамовые твердые сплавы подразделяются на три группы: однокарбидовую (вольф­рамовую ВК), двухкарбидную (титановольфрамовую ТК) и трехкарбидовую (титанотан-таловольфрамовую ТТК).

Область применения и основные физико-механические свойства приведены в таблице 2:

Таблица 2- Основные марки твердых сплавов и область их применения.

1) Твердость дана в МПа

2) Твердость дана в HRC