Технологические процессы и производства

Перед выполнением задания изучить раздел «Основные сведения о резании металлов», приведенный в электронном пособии «Оборудование автоматизированного производства»
1. Требования к материалам режущей части инструмента. Перечислите требования и объясните необходимость этих требований для обеспечения работоспособности инструмента.
Основные требования к инструментальным материалам следующие:
1. Инструментальный материал должен иметь высокую твердость.
Твердость инструментального материала должна быть выше твердости обрабатываемого не менее чем в 1,4 - 1.7 раза.
2. При резании металлов выделяется значительное количество теплоты и режущая часть инструмента нагревается. Поэтому, инструментальный материал должен обладать высокой теплостойкостью. Способность материала сохранять высокую твердость при температурах резания называется теплостойкостью. Для быстрорежущей стали – теплостойкость еще называют красностойкостью (т.е. сохранение твердости при нагреве до температур начала свечения стали)
Увеличение уровня теплостойкости инструментального материала позволяет ему работать с большими скоростями резания.
Для обеспечения работоспособности металлорежущего инструмента необходимо изготовлять его рабочую часть из материала, обладающего комплексом определенных физико-механических свойств (высокими показателями твердости, износостойкости, прочности, теплостойкости и др.). Материалы, отвечающие требованиям этого комплекса и способные осуществлять резание, называются инструментальными материалами. Рассмотрим физи- ко-механические свойства инструментальных материалов.
Чтобы внедриться в поверхностные слои обрабатываемой заготовки, режущие лезвия рабочей части инструментов должны быть выполнены из материалов, имеющих высокую твердость. Твердость инструментальных материалов может быть природной (т. е. свойственной материалу при его образовании) или достигнута специальной обработкой. Например, инструментальные стали в состоянии поставки с металлургических заводов легко поддаются обработке резанием. После механической обработки, термообработки, шлифования и заточки инструментов из стали их прочность и твердость резко повышаются.
В процессе резания на рабочую часть инструментов действуют силы резания, достигающие 10 кН и более. Под действием этих сил в материале рабочей части возникают большие напряжения. Чтобы эти напряжения не приводили к разрушению инструмента, используемые для его изготовления инструментальные материалы должны иметь достаточно высокую прочность.

2. Принятые обозначения групп инструментальных материалов. Сравнительные характеристики одно- двух- и трёхкарбидных твердых сплавов и минералокерамических материалов по твёрдости, теплостойкости. Приведите примеры обозначения твердосплавных материалов, их составы и укажите, какие марки твёрдых сплавов рекомендуется использовать при обработке конструкционных сталей, чугунов и жаропрочных сталей.
Для изготовления рабочей части режущих инструментов применяют пять групп инструментальных материалов: инструментальные углеродистые и легированные стали, быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамику и сверхтвердые материалы. Твердые сплавы изготовляют методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, прессуют и спекают при 1400-1500 °С. При спекании кобальт растворяет часть карбидов и плавится. В результате получается плотный материал (пористость не превышает 2 %), структура которого на 80-95 % состоит из карбидных частиц, соединенных связкой.
Твердые сплавы изготавливают в виде пластин, которыми оснащают резцы, сверла, фрезы и другие режущие инструменты. Такие инструменты характеризуются высокой твердостью 80-97 HRA (74-76 HRC), износостойкостью в сочетании с высокой теплостойкостью (до 800-1000 °С). Твердые сплавы характеризуются также высоким модулем упругости (до 6,8· 10 МПа) и пределом прочности на сжатие (до 6000 МПа).
Основными недостатками этих материалов являются высокая хрупкость, а также сложность изготовления фасонных изделий. Скорость резания твердыми сплавами в 5-10 раз выше скорости резания быстрорежущими сталями.
В зависимости от состава карбидной основы порошковые твердые сплавы выпускают трех групп: вольфрамовые, титанвольфрамовые и титантанталвольфрамовые.
Вольфрамовые твердые сплавы изготовляют на основе карбида вольфрама WC и кобальта. Сплавы этой группы называются однокарбидными и обозначаются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Например, сплав ВКЗ содержит 3 % Со и 97 % WC. Содержание кобальта может меняться (сплавы ВК6, ВК8). Чем оно больше, тем выше прочность, хотя и несколько ниже твердость сплава. Твердые сплавы вольфрамовой группы имеют наибольшую прочность, но более низкую твердость, чем сплавы других групп. Они теплостойки до 800 °С. Их обычно применяют для обработки чугуна, сплавов цветных металлов и различных неметаллических материалов, дающих прерывистую стружку.
Сплавы ВК10 и ВК15, обладающие из-за повышенного содержания кобальта более высокой вязкостью, используют для волочильных и буровых инструментов, стойкость которых в десятки раз превышает стойкость стальных инструментов. Сплавы с высоким содержанием кобальта (ВК20 и ВК25) применяют для изготовления штамповых инструментов, а также в качестве конструкционного материала для деталей машин и приборов, от которых требуется высокое сопротивление пластической деформации или изнашиванию.
Сплавы второй группы (двухкарбидные) изготовляют на основе карбидов WC и TiC на кобальтовой связке. Их маркируют буквами Т, К и цифрами. Цифры после буквы Т указывают содержание карбидов титана в процентах, а после буквы К - содержание кобальта. Например, сплав Т15К6 содержит 15 % TiC, 6 % Со, остальное, т. е. 79 %, WC. Карбид вольфрама растворяется в карбиде титана при температуре спекания, образуя твердый раствор (Ti, W) С, имеющий более высокую твердость, чем WC. Сплавы этой группы имеют более высокую теплостойкость (до 900-1000 °С), повышающуюся с увеличением содержания карбидов титана. Их в основном применяют для высокоскоростной обработки сталей.
Для изготовления сплавов третьей группы используют карбиды вольфрама, титана, тантала и порошок кобальта в качестве связки. Эти сплавы маркируют буквами ТТК и цифрами. Цифра, стоящая после букв ТТ, указывает суммарное содержание карбидов титана TiC и тантала ТаС, а цифра, стоящая после буквы К, -- содержание кобальта. Например, сплав ТТ7К12 содержит 4 % ТiC, 3 % ТаС, 12 % Со и 81 % WC. В их структуре присутствует твердый раствор (Ti, Та, W) С и избыток WC. Сплавы этого типа имеют более высокую прочность, чем сплавы второй группы, и лучшую сопротивляемость ударным воздействиям, вибрации и выкрашиванию. Их применяют для более тяжелых условий резания (черновое точение стальных слитков, поковок, литья).
Общим недостатком рассмотренных сплавов, помимо высокой хрупкости, является повышенная дефицитность исходного вольфрамового сырья - основного компонента, определяющего их высокие физико-механические характеристики. Поэтому перспективно использование безвольфрамовых твердых сплавов.
Минералокерамика - инструментальный материал, обладающий высокими твердостью (HRA 93 - 94), теплостойкостью (до 1200 °С), температурой схватывания с металлом и износостойкостью, но также с высокой хрупкостью, низкой вязкостью и плохой сопротивляемостью циклическим изменениям тепловой нагрузки.
В связи с таким сочетанием положительных и отрицательных эксплуатационных качеств минералокерамика в основном используется для получистовой и чистовой обточки и расточки деталей из высокопрочных и отбеленных чугунов, закаленных сталей, а также из неметаллических материалов. При определенных условиях (в первую очередь при высокой жесткости системы станок -- деталь -- приспособление -- инструмент) минералокерамику можно применять для чистового фрезерования.
Выпускают оксидную (белую), оксидно-карбидную (черную) и оксидно-нитридную керамику. Оксидная керамика почти полностью состоит из окиси алюминия (АlО3), ее получают путем преcсования тонко измельченных частиц АlО3 с последующим горячим спеканием. Оксидную керамику рекомендуется использовать для чистового и получистового точения нетермообработанных сталей, а также серых и ковких чугунов с твердостью НВ 200 и менее.
Оксидно-карбидная керамика имеет в своем составе кроме АlО3 легирующие добавки карбидов хрома, титана, вольфрама и молибдена. Благодаря этому ее прочность на изгиб значительно выше, чем у оксидной керамики, и достигает 65-70 кгс/мм2, при некотором снижении теплостойкости и износостойкости. Выпускаются следующие марки оксидно-карбидной керамики: ВЗ, ВОК60 и ВОК 63; эти виды керамики рекомендуется применять для чистового и получистового точения и фрезерования закаленных сталей (HRC 45 и более), серых чугунов (НВ 240), отбеленных чугунов (НВ 400 - 700), а также нержавеющих сталей.
Оксидно-нитридная керамика состоит из нитридов кремния и тугоплавких материалов с включением окиси алюминия и других компонентов.