Выбор материалов режущих инструментов

В настоящее время режущие инструменты изготавливают из материалов четырех основных групп: быстрорежущих сталей, твердых сплавов, минералокерамики и сверхтвердых материалов.

Быстрорежущие стали (БС) используют для изготовления сложных, сложнопрофильных и фасонных инструментов: сверл, зенкеров, разверток, метчиков, червячных фрез, долбяков. Эти материалы находят применение при обработке цветных металлов и цветных сплавов, сталей конструкционных, легированных, корозионностойких, жаростойких и жаропрочных, а также чугунов. Известны следующие марки БС: Р9, Р12, Р18, Р6М5, Р9К5, Р9К10, Р9Ф5, Р12Ф4, Р6М5К5, Р9М4К8, Р6М5Ф3, Р10Ф5К5, Р12Ф4К5, Р12Ф3К10М3. Теплостойкость БС находится в пределах 615°С (первые марки) - 640°С (последние марки перечня). Порошковые БС получают методом порошковой металлургии, они обладают улучшенной карбидной неоднородностью, повышенными прочностью и стойкостью, хорошо шлифуются в закаленном состоянии.

Скорости резания сталей и чугунов быстрорежущими сталями не превышают 25 м/мин.

Твердые сплавы (ТС) состоят из зерен карбидов вольфрама, титана и тантала, сцементированных кобальтом, который придает сплавам определенную прочность и вязкость. ТС позволяют работать со скоростями не менее чем в четыре раза более высокими, чем БС, т.е. свыше 100 м/мин.

В соответствии с международной классификацией ИСО сплавы подразделяются на группы применения К, М и Р (буквы латинские) и подгруппы, обозначаемые числами от 01, далее через 05 до 50. На твердосплавных пластинах маркируют обозначение подгрупп и групп применения, например, К10, Р25, М15. В таблице 7.10 приведена принадлежность к группам и подгруппам отечественных твердых сплавов.

 

Таблица 7.10 – Группы и подгруппы применения твердых сплавов

Группа К	Группа М	Группа Р	Направление изменения свойств
подгруппа	марка ТС	подгруппа	марка ТС	подгруппа	марка ТС
К01	ВКЗ, ВКЗМ	М05	ВК6-ОМ	Р01	Т3ОК4	Прочность ←	Износостойкость ←
К05	ВК6-ОМ, ВК6М	М10	ТТ8К6	Р10	Т15К6
К10	ТТ8К6	М20	ТТК8Б	Р20	Т14К8
К20	ВК6, ВК4	М30	ВК10-ОМ, ВК8	Р30	Т5К10, ТТ10К8Б
К30	ВК8, ВК4	М40	ТТ7К12, ВК10-ОМ	Р40	Т5К12, ТТ7К12
К40	ВК8, ВК15	ТТ7К12,	Р50	ТТ7К12

 

Сплавы группы применения К предназначены для обработки серых, ковких и отбеленных чугунов, дающих стружку надлома, цветных металлов и сплавов, легированных титаном сталей, пластмасс, стеклопластиков, бетона, древесины. Твердосплавные пластины этой группы могут быть маркированы цифрой 3 и красным цветом.

Сплавы группы применения М - для обработки труднообрабатываемых (высоколегированных, тепло- и жаростойких сталей, высокомарганцовистых, высокопрочных, и нержавеющих аустенитных сталей, титановых, никелевых, молибденовых, вольфрамовых и ниобиевых сплавов). Эти сплавы могут обозначаться цифрой 2 и полосой желтого цвета.

Сплавы группы применения Р - для материалов, резание которых сопровождается образованием сливной стружки (большинства низко- и среднелегированных сталей, стального литья, незакаленных инструментальных сталей и стальных отливок). Они могут обозначаться также цифрой 1 и полосой синего цвета.

Безвольфрамовые ТС (БВТС) - это сплавы на основе карбида и карбонитрида титана, сцементированных никелемолибденовой связкой. По сравнению с вольфрамовыми ТС эти сплавы имеют меньшую прочность, но отличаются повышенной теплостойкостью и низкой схватываемостью с обрабатываемыми материалами. Инструменты из БВТС работают практически без наростообразования, ими можно выполнять чистовую лезвийную обработку взамен шлифования. Марки БВТС: ТМ1, ТМ3, ТН20, КНГ16, ТН30, ТН40, КНТ12, КНТ20, КНТ30.

С увеличением содержания кобальта повышается прочность твердого сплава, но снижается износостойкость. Сплавы малых номеров подгрупп следует использовать при чистовой обработке.

Учитывая большое число импортных твердых сплавов, рекомендуется различать их не по маркам, а по группам и подгруппам применения.

В настоящее время наиболее широкое использование во всех областях возможных применений режущих материалов находят твердосплавные неперетачиваемые пластины твердого сплава со сверхтвердыми покрытиями нитридами, карбидами и карбонитридами титана. Скорость резания по стали твердыми сплавами с покрытиями достигает 250 м/мин.

Режущая минералокерамика делится на две группы: оксидная белая (серая) керамика, содержащая до 99,7% окиси алюминия, и черная оксидно-карбидная керамика с добавлением к окиси алюминия карбидов титана (Аl₂О₃ + ТiC). Марки белой керамики обозначают ЦМ332, серой керамики: ВО13 и ВШ63, черной керамики - ВЗ и ВОК60. При работе режущей керамикой можно поднять скорость резания не менее чем в два раза по сравнению с твердыми сплавами, т.е. до 250 м/мин, при одинаковой стойкости инструментов. В связи с повышенной хрупкостью керамики не допускается работа с ударами, и глубина резания ограничена 2 мм. Выпускают пластины трехгранной, квадратной, ромбической, параллелограммной и круглой форм для встраивания в инструменты с быстросменными неперетачиваемыми пластинами. В последние годы появились пластины, в которых твердосплавная сердцевина как бы облицована режущей керамикой. Такие пластины обладают повышенной прочностью и могут работать с глубинами до 5 мм.

Белая и серая керамика хорошо работают по незакаленным сталям с твердостью до 227 единиц по Бринеллю. Черная керамика с успехом может обрабатывать стали, закаленные до твердости НRС65, со скоростью резания 100 м/мин.

Сверхтвердые материалы (СТМ) на основе нитрида бора нашли в настоящее время широкое применение для обработки закаленных сталей, чугунов и некоторых инструментальных материалов. Известны такие марки СТМ: композит-01 (эльбор) - синтез из гексагонального нитрида бора, композит-02 (белбор), композит-05 - спекание порошков кубического нитрида бора с легирующими добавками, композит-09 (ПТНБ) и композит-10 (гексанит) - синтез из вюртцитоподобной модификации нитрида бора. С помощью СТМ можно обрабатывать закаленные стали высокой твердости со скоростью резания 100 м/мин. При обработке чугуна скорость резания может быть поднята до 500 - 800 м/мин. Стальные заготовки невысокой твердости могут быть обработаны инструментами из композита-05. Высокая прочность композитов-09 и -10 позволяет обрабатывать прерывистые поверхности, т.е. работать с ударом.

 

Режущие инструменты

 

Необходимо в проекте привести полный перечень всех используемых для обработки режущих инструментов, разделив их на виды: сверла, зенкеры, развертки, резцы, фрезы, протяжки, метчики, шлифовальные круги и др.

Предпочтение следует отдавать более прогрессивным инструментам. Инструменты, оснащенные твердым сплавом, по сравнению с быстрорежущими имеют преимущества: уменьшен расход дефицитного вольфрама и имеется возможность работать с более высокими скоростями резания. Инструменты, оснащенные неперетачиваемыми быстросменными пластинами, более экономичны в сравнении с напаянными.

При токарной обработке, особенно на автоматизированном оборудовании, важной проблемой является стружкодробление. Необходимо указать, как решена эта проблема в используемых инструментах. Находит применение подача СОЖ через тело инструмента.

Конструкции и технические характеристики неперетачиваемых пластин отражены в литературе, проспектах отечественных предприятий и зарубежных фирм.

Использование комбинированных инструментов, в которых отдельные режущие части, прикрепленные к одному держателю или корпусу, одновременно или последовательно обрабатывают разные поверхности заготовки, приводит к сокращению вспомогательного и основного времени.

Если в проекте представлена конструкция фрезы, то необходимо обратить внимание на пространство перед режущими ножами, в котором собирается стружка. Объемы этого пространства ограничивают значение подачи на зуб.

 

Расчет режимов резания

Расчет режимов резания для всех рабочих ходов инструментов наиболее целесообразно выполнять на ЭВМ. Компьютерные программы позволяют при малых трудозатратах просчитать несколько вариантов, в которых изменять в возможных пределах твердость заготовки, глубину резания, углы заточки. Последовательно подсчитываются подача, скорость, эффективная мощность резания.

При расчетах на персональных компьютерах необходимо использовать имеющиеся в компьютерных лабораториях института программы расчета на ЭВМ режимов резания в Microsoft Office Excel для точения, фрезерования, сверления, шлифования.

Установление рациональных режимов резания сводится к выбору оптимального сочетания глубины резания, подачи и скорости резания, обеспечивающих наибольшую производительность при соблюдении всех требований к качеству обрабатываемой поверхности.

Глубина резания в малой степени отражается на стойкости режущего инструмента. В связи с этим нужно при предварительной обработке выбирать максимально возможную глубину резания, исходя из размеров режущей части инструмента с учетом жесткости и виброустойчивости технологической системы. При чистовой обработке главным в выборе глубины резания становятся требования к точности. Увеличение в разумных пределах числа рабочих ходов способствует повышению точности, т.к. при каждом рабочем ходе исходные погрешности не исчезают, а лишь уменьшаются.

Расчет по справочникам по сравнению с расчетом на ЭВМ более трудоемок. В справочниках рекомендуемые режимы резания представлены в виде единичных (матричных) таблиц и поправочных коэффициентов для измененных условий обработки. Необходимо быть особо внимательным при нахождений табличных значений, так как каждому периоду стойкости соответствуют свои величины параметров резания.

Найденные по справочникам значения подачи, скорости резания или эффективной мощности необходимо умножить на ряд коэффициентов, отражающих обрабатываемость материала, состояние обрабатываемой поверхности, материал режущего инструмента, твердость обрабатываемого материала, жесткость технологической системы, влияние СОЖ, углы заточки режущих граней, а также некоторые специфические условия того или иного вида обработки.

Подача S_о в мм/об при чистовом точении может быть подсчитана по формуле

где R_a - среднеарифметическая высота микронеровностей, мкм;

r – радиус при вершине резца или зуба фрезы, мм.

При токарной обработке целесообразно работать с постоянной скоростью резания. Подсчитанная для одного рабочего хода скорость резания должна быть распространена на весь переход, т.е. на всю работу данным инструментом. Это уменьшает объемы расчетов и приводит к существенным выгодам при точении на станках с ЧПУ. За счет поддержания постоянной скорости при переходе на новый диаметр обработки автоматически изменяется частота вращения шпинделя. Увеличивается производительность, улучшается качество обработанной поверхности и повышается стойкость режущих инструментов.

Подача при черновом фрезеровании обычно не превышает 0,15 мм/зуб в связи с ограниченностью пространства между зубьями.

 

Расчет трудозатрат