ТЕМА 2. МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ РІЗАЛЬНИХ ІНСТРУМЕНТІВ

2.1. Матеріали, які використовуються для робочої частини ріжучих інструментів

Ефективність ріжучого інструмента, обумовлена його працездатністю при максимально можливій стійкості, залежить головним чином від матеріалу робочої частини.

В даний час для робочих частин ріжучих інструментів використовують інструментальні сталі (швидкорізальні, леговані і вуглецеві), тверді сплави, мінералокераміку, надтверді матеріали , до яких відносяться природні і синтетичні алмази і матеріали на основі нітриду бору (композити) , та абразивні матеріали.

У загальному випадку до інструментальних матеріалів висувають вимоги, які можна об'єднати в три групи:

- експлуатаційні вимоги: висока червоностійкість, зносостійкість, достатня міцність, в тому числі і втомлювана, хороша тепло провідність, мала схоплюваність з оброблюваним матеріалом;

- технологічні вимоги: хороша оброблюваність (особливо шліфування), здатність до пластичного деформації , необхідні властивості термічної обробки (хороше загартування, прокаленість);

- інструментальний матеріал повинен бути економічним забезпечувати

мінімальні витрати на виготовлення інструмента, що впливають на собівартість.

Вуглецеві інструментальні сталі ГОСТ 1435-74

Для виготовлення ріжучих інструментів вуглецеві сталі, знаходять обмежене застосування головним чином через низьку (200 ⁰С). Застосовують в основному сталі марок У9, У10А, У12А, У13А .

Перевагою вуглецевих інструментальних сталей є невисока вартість, хороша шліфувальність. Невелика прокалюваність дозволяє отримати інструменти з в'язкою серцевиною, що дуже важливо при обробці з ударними навантаженнями. Застосовують в основному для виготовлення дрібно розмірного і ручного ріжучого інструмента (У9 - зубила, шабери, деревообробні і ковальські інструменти; У10А - У13А - напилки, мітчик, плашки, розгортки). Твердість 60 - 63 НRС .

Леговані сталі ГОСТ 5950 - 73

Для виготовлення ріжучих інструментів використовують обмежену кількість марок легованих інструментальних сталей з відносно малим вмістом легуючих елементів. Це сталі 9ХС, ХВГ, 11Х , ХВСГ, Х6ВФ основним легуючими елементами, яких є марганець, кремній, хром, вольфрам і ванадій. Червоностійкість інструментальних легованих сталей до 250 -260 ° С, твердість після термічної обробки 61-63 НRС.

Найчастіше в інструментальному виробництві застосовують сталь 9ХС. Вона має гарну прокаленість, рівномірний розподіл карбідів по всьому поперечному перерізу прутка, менш чутлива до перегріву, проте погано шліфується і має підвищену чутливість до зневуглецювання. Сталь 9ХС слід рекомендувати в першу чергу для виготовлення інструментів, леза яких знаходяться в середині корпусу (наприклад , круглі плашки ), а так само для виготовлення свердел, розгорток, мітчиків, гребінок, фрез, що працюють за порівняно низьких швидкостях різання .

Сталь ХВГ відрізняється гарною прокаленістю, але має схильність до утворення карбідної сітки. Підвищений вміст марганцю у цій стали зменшує об'ємні деформації при загартуванні. Сталь ХВГ слід рекомендувати для виготовлення ріжучих інструментів, габаритні розміри яких роблять помітний вплив на процес деформування (наприклад, протяжки, довгі розгортки і мітчики).

Складнолегована сталь ХВСГ, у якої недоліки, властиві двом розглянутим маркам, проявляються в значно меншому ступені, призначена для заміни сталей 9ХС і ХВГ. Сталь ХВСГ застосовують для виготовлення ручних інструментів різання по металу (свердла, розгортки, мітчики, плашки і д.р.).

Сталь Х6ВФ є більш зносостійкою внаслідок підвищеного вмісту хрому, тому доцільно її застосовувати для виготовлення різєнакатних роликів і ножівкових полотен.

Швидкорізальні сталі ( ГОСТ 19265 - 73 )

Швидкорізальні сталі діляться на три групи: нормальної, підвищеної та високої продуктивності.

Сталі нормальної продуктивності, характеризуються зниженою теплостійкістю ( 615- 620 °С). До них відносяться: вольфрамові (Р9, Р12, Р18), вольфрамомолібденові (Р6М5, Р6М3, Р8М3), безвольфрамові (9Х6М3Ф3АГСТ (ЕК - 41), 9Х4М3Ф2АГСТ (ЕК - 42)). Їх застосовують в основному при обробці кольорових сплавів, чавунів, вуглецевих і легованих сталей при швидкостях різання 35 - 40 м / хв .

Сталі підвищеної продуктивності додатково леговані кобальтом і ванадієм. До них відносяться, сталі з теплостійкістю 625 - 640 °С такі як:

- вольфрамокобальтові ( Р9К5 , Р9К10) ;

- вольфрамованадієві (Р9Ф5, Р12Ф3, Р14Ф4, Р18Ф2); вольфрамомолібденові з кобальтом і ванадієм ( Р6М5К5, Р9М4К8, Р6М5Ф3, Р6М5Ф2К8);

- вольфрамованадієві з кобальтом ( Р10Ф5К5 , Р12Ф4К5 , Р18К5Ф2);

- вольфрамованадієві з кобальтом і молібденом ( Р12Ф3К10М3,

Р12Ф2К5М3, Р18Ф2К8М ).

Сталі підвищеної продуктивності, застосовують для обробки корозіоно -стійких, жаростійких жароміцних деформівних сталей і сплавів і високоміцних сталей.

Порошкові швидкорізальні сталі, характеризуються підвищеною шліфувальністю і пластичністю при холодній та гарячій деформації, мають більш високу (в 1,5 - 2,5 рази) стійкість в порівнянні з швидкорізальними сталями аналогічного складу звичайного виробництва. Порошкові швидкоріжучі сталі Р9М4К8 -МП і Р10М6К8 -МП мають підвищену червоностійкість, добре шліфуються і призначені для обробки матеріалів підвищеної твердості до 38 - 42 НRС і знайшли застосування в інструментах для верстатів з ЧПК.

Сталі високої продуктивності, характеризуються високою теплостійкістю (700 - 725 ⁰С) та вторинною твердістю (після гартування і відпустки) 69-70 НRСє. Дані сталі характеризуються також зниженим вмістом вуглецю (0,1 - 0,25 %), але дуже великою кількістю легуючих елементів. До них відносяться, сталі В11М7К23, В24М12К23, В18К25Х4 і інші. Інструменти із сталей високої продуктивності мають високу стійкість при підвищених режимах різання важкооброблюваних матеріалів і титанових сплавів. Стійкість інструментів за обробки таких матеріалів вище в 30 - 80 раз ніж зі сталі Р18 і в 8-15 разів вище, ніж з твердого сплаву ВК8 .

До швидкорізальної сталі високої продуктивності відносяться карбідосталі − композиційний матеріал, в якому зерна тугоплавких карбідів (переважно П) рівномірно розподілені в зв'язці з легованої сталі (виготовляються методом порошкової металургії). Карбідосталі випускаються на основі двох сталей Р6М5 - КТ20 і Р6М5К5 - КТ20 з масовою часткою МЛС 20 %. Вторинна твердість карбідосталей 70 - 72 НRСє, теплостійкість 650 – 690°С.

Тверді сплави (ГОСТ 3882-74 )

Для обробки важкооброблюваних матеріалів широко застосовують тверді сплави, що складаються з зерен карбідів тугоплавких металів − вольфраму, титану і танталу, зцементованих кобальтом.

Існує три основні групи твердих сплавів.

Сплави групи ВК мають твердість до 91 НRА і червоностійкість 800-85°С. До цієї групи відносяться такі марки: ВКЗ, ВКЗ -М, ВК4 –В, ВК6, ВК6 - ОМ , ВК8 , ВКЮ -М , ВКЮ - ОМ та ін

Сплави дрібнозернистої структури з підвищеним вмістом кобальту (ВК10М, ВК15М) використовують для виготовлення малорозмірних інструментів ( свердел , мітчиків , кінцевих і прорізних фрез) для обробки важкооброблюваних матеріалів.

 Ріжучі інструменти з дрібнозернистих сплавів ВК6-ОМ , ВК10-ОМ і ВК1-ОМ застосовують для чистової і напівчистової обробки різанням корозійностійких, жароміцних сталей і сплавів на нікелевій основі. Титанових сталей і високоміцних сталей.

Сплави групи ТК мають червоностійкість 850-900 °С, твердість 87-92 НRА. Мають більші ніж сплави групи ВК, твердість та зносостійкість, але меншу міцність. Крім цього, через підвищену крихкість вони погано витримують ударні і змінні навантаження. Тому сплави групи ТК з меншим вмістом карбідів титану (Т5К10, Т5К12, Т14К8) доцільно застосовувати для чорнової і напівчистової обробки, а з великим вмістом карбідів титану (Т15К6, Т30К4) − для чистової і напівчистової обробки з підвищеними швидкостями різання.

Сплави групи ТТК мають червоностійкість 750°С і твердість 87 - 90 НRА. Тітанотанталовольфрамові тверді сплави рекомендуються для чорнової і напівчистової обробки заготовок із сталей (в тому числі важкооброблюваних), а сплав ТТ7К12 - для важкого чорнового точіння сталевих поковок і виливків, а також стругання і фрезерування.

При виборі оптимальної марки твердого сплаву для конкретної обробки потрібно враховувати, що зі збільшенням вмісту кобальту (зв'язки) збільшується межа міцності при згині, але знижуються ріжучі властивості сплаву. Тверді сплави з меншим вмістом кобальту слід рекомендувати для чистової і напівчистової обробки.

Безвольфрамові тверді сплави − це сплави на основі карбіду ( ТiC ) і карбонітриду ( ТiN ) титана, зцементованих нікелемолебденовою зв'язкою (Ni + Мо).

Безвольфрамові тверді сплави дещо поступаються традиційним твердим сплавам по міцності, теплопровідності, ударній в'язкості, але у них вища окалиностійкість, знижена адгезійна взаємодія з оброблюваним металом і вони мають підвищену червоностійкість (до 1000°С). КНТ16, ТН20, ТН50.

Тверді сплави випускають у вигляді пластин різної форми, які або припаюють до державки, або кріплять до неї механічним шляхом (змінні багатогранні пластини).

Мінералокерамічні інструментальні матеріали (ГОСТ26630-85 )

Мінералокерамічні інструментальні матеріали володіють високою твердістю, тепло- і зносостійкістю. Їх основою є глинозем А1203 (біла оксидна кераміка, що містить 99,7 % А1203 ) або суміш окису алюмінію і карбідів титану ( Аl₂0₃ + ТiC ) − чорна карбiдно - оксидна кераміка.

На основі алюмооксидної кераміки розроблений матеріал ОНТ - 20 (кортиніт), що має дрібнозернисту структуру. До цієї групи належить і матеріал сілініт-Р (змішана кераміка на основі нітриду кремнію Si₃Ni₄). Використовуються ці матеріали для чистової і напівчистової обробки загартованих сталей до 55 НRС. Розрізняють оксидно - карбідні ( ВОК71, ВОК95 ). До складу останніх марок входять карбіди титану і окис алюмінію.

Мінералокераміка у виробництво поставляється у вигляді непереточуваних багатогранних ріжучих пластинок.

Синтетичні надтверді матеріали

Мають високу зносостійкість, твердість (НV = 75000 МПа), низький коефіцієнт тертя і високу теплостійкість (1100 °С).

У технології отримання сучасних надтвердих матеріалів виділяють три основні групи:

- синтез з гексагонального нітриду бору − композит 01 ( ельбор-Р ) і композит 02 ( бел бор);

- синтез з модифікації нітриду бору − композит 10 (гексоніт-Р ) і композит 09 ;

- спікання з порошків кубічного нітриду бору з легуючими добавками − композити 05 і 06 .

Найбільшого поширення набули різці та фрези, оснащені ріжучими пластинками з композитів 01 і 10.

Область застосування: тонке, чистове і напівчистове точіння з ударними навантаженнями, торцеве фрезерування загартованих сталей і чавунів будь-якої твердості, твердих сплавів груп ВК.

2.2. Матеріали, які використовуються для виготовлення кріпильної частини РІ

Матеріали для приєднувальних частини повинні мати достатню міцність і теплопровідність, зберігати точність розмірів і форми після термообробки добре оброблятися і забезпечувати надійне з'єднання з ріжучої частиною після зварювання, наварювання і напайки, а також бути дешевими і не містити дефіцитних елементів. Усім цим вимогам повною мірою відповідають конструкційні вуглецеві (40, 45, 50) та леговані ( 40Х , 45Х , 40ХН ) сталі.

Вуглецеві сталі застосовуються для державок різців, корпусів збірних розгорток, втулок , клинів, гвинтів та інших елементів збірних конструкцій. Корпуси інших складових і збірних інструментів, у тому числі і ножі під напаяні пластини з твердих сплавів, виготовляють з легованих сталей, в основному із сталі 40Х, які мають підвищену міцність і забезпечують менше короблення в процесі термічної обробки.

Для важких умов роботи, особливо коли потрібна висока твердість і зносостійкість, корпус роблять з інструментальних сталей У7А, У8А , 9ХС і навіть з швидкорізальних. Так, наприклад, у свердла з напаяними пластинами з твердого сплаву і діаметром по пластинах, що рівний діаметру корпусу, корпус треться об оброблену поверхню деталі зі швидкістю різання. Тому його виготовляють із сталі 9ХС або швидкорізальної з подальшим загартуванням на високу твердість.