4.1. Условия работы инструмента, требования, предъявляемые к инструментальным материалам, группы инструментальных материалов
В процессе резания инструмент, его режущая часть подвергается большим давлениям, трению и нагреву, что приводит к износу режущего инструмента или даже к полному разрушению (рис.15). Поэтому основными требованиями к инструментальным материалам являются:
1. достаточная твёрдость (HRC), прочность σи и ударная вязкость;
2. теплостойкость – способность инструментального материала сохранять достаточную твёрдость при высоких температурах нагрева в течение длительного времени.
Для изготовления режущего инструмента применяются следующие группы инструментальных материалов:
- инструментальные углеродистые стали;
- инструментальные легированные стали;
- быстрорежущие стали;
- металлокерамические твёрдые сплавы;
- минералокерамические твёрдые сплавы;
- алмазы (синтетические и природные;
- абразивные материалы;
- конструкционные стали (для державок).
4.2. Инструментальные углеродистые стали
У7, У8, У9, У10А, У11А, У12А, У13А.
Содержание углерода до 1,3%, твёрдость после термообработки HRC 58…64 ед. Теплостойкость невысокая – 200…300ºС. в связи с этим из этих сталей изготавливают инструмент, работающий с невысокими скоростями резания (слесарный инструмент). Чем больше в стали содержание углерода, тем он твёрже и хрупче. Это и определяет область их применения. Из высокоуглеродистых сталей делают инструменты со спокойной нагрузкой - напильники, шаберы, из низкоуглеродистых - зубила, кернеры, клейма, штампы
4.3. Инструментальные легированные стали
Теплостойкость инструментальной углеродистой стали можно повысить введением в неё легирующих элементов: хрома (Х), вольфрама (В), молибдена (М), ванадия (Ф), марганца (Г). Стали с добавкой таких элементов называются инструментальными легированными. Их теплостойкость – 250-300ºС. Из них изготавливаются инструменты, работающие при значительных скоростях резания. 9ХС – метчики, плашки, мелкий инструмент для обработки отверстий. ХВГ – протяжки, длинные развёртки. Эти стали мало деформируются при термообработке.
4.4. Быстрорежущие стали Р18, Р9, Р18Ф2, Р9К5, Р9Ф5
Буква Р – сталь быстрорежущая, цифра после буквы содержание вольфрама в %. Во всех марках около 4% хрома. Твёрдость быстрорежущих сталей HRC 65 ед., теплостойкость 600-700ºС, поэтому инструменты из быстрорежущих сталей допускают скорость резания в 2-3 раза больше по сравнению с инструментальными легированными сталями. Недостаток – значительное содержание дорогостоящего дефицитного вольфрама. Снижают содержание вольфрама введением ванадия и кобальта (Р9Ф5, Р9К5). Режущие свойства при этом сохраняются. При изготовлении резцов быстрорежущую сталь применяют в виде пластинок, напаиваемых на державку, которая изготавливается из обычной конструкционной стали. При изготовлении более сложного инструмента (свёрла, зенкеры, развёртки, метчики, фрезы) режущую часть изготавливают из быстрорежущей стали, а нерабочую часть – хвостовик из конструкционной стали, соединяемых сваркой.
4.5. Металлокерамические твёрдые сплавы
состоят из тугоплавких карбидов вольфрама, титана, молибдена, распространённых в кобальтовой цементирующей связке. Карбиды обладают значительной твёрдостью HRВ 87-92 и высокой теплостойкостью 800-900ºС, обеспечивают высокую режущую способность инструмента, допускают скорости резания в 3-4 раза больше по сравнению с Р18. Кобальтовая связка обладает вязкостью и создаёт у инструментов необходимое сопротивление удару и изгибу. Твёрдые сплавы подразделяются на 4 группы:
| вольфрамовые (ВК) | титановольфрамовые (ТК) | Титанотантало вольфрамовые (ТТК) | безвольфрамовые |
| ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10; | Т5К10, Т15К6, Т30К4; | ТТ7К12 | ТН30М |
| ВК8 содержит 8% кобальтовой связки и 92% карбида вольфрама | Т15К6 –6% кобальта,15% карбида титана, остальные 79% карбида вольфрама | 12% кобальта, 7% карбида титана и тантала, 81% карбида вольфрама | 30% никеля и молибдена и 70% карбида титана |
| для обработки чугунов, а также сталей при черновой обработке | для работ без ударной нагрузки(чистовая обработка) | при работе с ударами: строгание, фрезерование, сверление стальных поковок и отливок | аналогично группе ТК |
4.6. Минералокерамические материалы
Дороговизна и дефицит вольфрама заставляют изыскивать заменителей металлокерамических сплавов. Одним из них является минералокерамика ЦМ 332, основу которого составляет глинозём Al2O3 . ЦМ 332 обладает высокой твёрдостью HRC 91-93 ед. и теплостойкостью t =1200ºС, но уступает металлокерамическим сплавам по пределу прочности на изгиб (30-40 кг/мм2) и по этому имеет ограниченное применение на операциях чернового и чистового точения чугунов и сталей
4.7. Алмазы –
самые твёрдые природные минералы (чистый углерод). Обладают твёрдостью около 10000 кг/мм2, теплостойкость до 850ºС, обладают высокой износоустойчивостью, обеспечивают сохранение у инструментов острой режущей кромки. В природе встречаются в виде небольших кристаллов различной формы. Из кристаллов и их осколков изготавливают однолезвийный режущий инструмент и алмазнометаллические карандаши для правки шлифовальных кругов, а также притирочные пасты. Недостатки алмазов: хрупкость (σи = 40 кг/мм2) и дороговизна. Синтетические алмазы получают из графита при высоком давлении и высокой температуре. полученные кристаллы дробят в порошки, которые используют для изготовления алмазного абразивного инструмента.
4.8. Сверхтвёрдые материалы
На основе порошков из алмазов КНБ (кубического нитрида бора) и их смесей производится гамма различных сверхтвёрдых поликристаллических материалов:
- эльбор Р – получают в виде крупных поликристаллов (d=3-6 мм., длина 4-5 мм). твёрдость до 9000 кг/мм2, , теплостойкость t до 1400ºС. прочность σи = 100 кг/мм2 ) Применяется при обработке закалённых и цементированных сталей, высокопрочного чугуна, твёрдых сплавов, как для лезвийного, так и для абразивного инструмента;
- исмит;
- гексанит Р;
- славутич
(журнал «Машиностроитель, №3 1975 г. стр. 26-30)
4.9 Конструкционные стали:
сталь 45, 40, 40Х, 45Х, 40ХН применяются для изготовления державок, хвостовиков, корпусов сборного режущего инструмента.