Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Требования, предъявляемые к инструментальным материалам

В современном механообрабатывающем производстве все более широкое применение находит дорогостоящее автоматизированное оборудование, управляемое от ЭВМ. Эксплуатация такого оборудования характеризуется рез­ким ростом стоимости станко-минуты, ужесточением условий эксплуатации режущего инструмента, увеличением расхода инструментального материала и затрат на инструмент, составляющий в ряде случаев до 10-15% (а при много­инструментальных наладках на многошпиндельных станках, а также при при­менении дорогого инструмента - до 50%) расходов на механообработку. Таким образом, повышение режущих свойств инструмента при высокой вероятности его безотказной работы (высокой эксплуатационной надежности), интенсифи­кация резания являются важнейшими резервами повышения эффективности автоматизированного механообрабатывающего производства.

При резании контактные площадки инструмента подвергаются интенсив­ному воздействию высоких контактных напряжений и температур, величины которых имеют переменный характер, а взаимодействие с обрабатываемым материалом и реагентами из окружающей среды приводит к протеканию ин­тенсивных физико-химических процессов: адгезии, диффузии, окисления и коррозии.

С учетом необходимости сопротивления контактных площадок режущего инструмента микро- и макроразрушению в указанных условиях, рассмотрим некоторые требования, предъявляемые к инструментальному материалу при резании различных обрабатываемых материалов.

Для того, чтобы режущий клин инструмента, не деформируясь, мог срезать слой обрабатываемого материала, твердость инструментального материала НУИМ должна значительно превосходить твердость обрабатываемого материа­ла HVOM. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к инстру­ментальному материалу, является его высокая твердость. Однако увеличение твердости HVИМ, как правило, приводит к увеличению хрупкости, снижению трещиностойкости и вязкости разрушения, поэтому в зависимости от условий об­работки существует оптимальное отношение НVИМ/НVОМ, обеспечивающее при­емлемое соотношение твердости и прочности (вязкости) инструментального материала.

Высокие механические нагрузки на режущий клин инструмента требуют, чтобы инструментальный материал обладал достаточной механической проч­ностью. Режущий клин инструмента должен выдерживать высокие напряжения без хрупкого разрушения и заметного пластического деформирования. Так как инструмент может работать в условиях знакопеременных (циклических) нагру­зок (прерывистое резание, непрерывное резание с переменным припуском или твердыми включениями на поверхности заготовки и т.д.), то желательным тре­бованием к инструментальному материалу, наряду с механической прочностью на сжатие и изгиб, является высокая сопротивляемость разрушению при знако­переменном нагружении (высокий предел выносливости).

В процессе резания контактные площадки инструмента подвергаются высо­кому температурному воздействию (до 800-1000 °С), что может привести к температурному разупрочнению и потере твердости инструментального мате­риала. Поэтому следующим важным требованием к инструментальному мате­риалу является его способность сохранять свою твердость и прочностные характеристики при повышенных температурах, соответствующих темпе­ратурам резания. Обычно это свойство инструментального материала называ­ют теплостойкостью, которая является важнейшим показателем качества инст­рументального материала. С учетом необходимости использования инструмен­та в условиях периодического изменения температуры (например прерыви­стого резания) инструментальный материал должен быть малочувствительным к циклическим температурным изменениям.

Важным условием нормальной работы инструмента является снижение ве­роятности появления локальных термических напряжений на контактных пло­щадках инструмента. Такая вероятность снижается по мере роста теплопро­водности инструментального материала. Поэтому последний должен обладать достаточной теплопроводностью.

Весьма важным свойством инструментального материала является его спо­собность сопротивляться удалению собственных частиц при контактном взаи­модействии с обрабатываемым материалом. Это свойство, обычно называе­мое износостойкостью, не является независимым, так как, в свою очередь, оп­ределяется такими свойствами как твердость, прочность, теплостойкость, тре-щиностойкость и т.д.

Наряду с требованиями к физико-механическим и теплофизическим свойст­вам инструментального материала, необходимым условием достижения дос­таточно высоких режущих свойств инструмента является низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обраба­тываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального мате­риала (геометрические и структурные особенности кристаллического строения, теплофизические свойства, структурные и термодинамические особенности фазового состава и т.д.) должны существенно отличаться от соответствующих свойств инструментального материала. Степень такого отличия сильно влияет на интенсивность физико-химических процессов (адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы) и изнашивание кон­тактных площадок инструмента.

Таким образом, физико-механические, теплофизические и кристаллохимические свойства инструментального материала сильно влияют на работо­способность режущего инструмента, а оптимальный выбор сочетания этих свойств позволяет в известных пределах управлять процессами изнашивания инструмента, трансформировать один механизм изнашивания в другой, сни­жать интенсивность изнашивания контактных площадок инструмента. Напри­мер, при постоянных значениях геометрических параметров инструмента и режимов обработки рост таких свойств инструментального материала как твердость, теплостойкость, прочность, пассивность по отношению к обраба­тываемому материалу и активным реагентам из окружающей среды приводит к росту износостойкости контактных площадок инструмента и соответствую­щему увеличению его работоспособности.

 

 

Рис.1.1 Классификация инструментальных материалов по их свойствам

 

Краткий анализ данных (рис. 1.1) позволяет хорошо уяснить причины узкой области применения большинства современных марок инструментальных ма­териалов.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к инструментальному материалу, выбор свойств и конкретной марки материала следует производить с учетом условий обработки, которые определяются свойствами обрабатываемого материала и характером контактного взаимодействия инструменталь­ного и обрабатываемого материалов в процессе резания. В частности, хрупкий и пластический пределы прочности режущей части инструмента зависят не только от физико-механических свойств инструментального материала, но и определяются температурной зависимостью условного напряжения сдвига обрабатываемого материала. Поэтому инструмент, оснащенный пластинами из сверхтвердых инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора (СТМ) или пластинами из режущей керамики (РК), используют исключительно для суперчистовой и чистовой обработки изделий (в том числе и повышенной твердости после полной термообработки) на высоких и сверх­высоких скоростях резания при весьма ограниченных сечениях среза.

Это связано с тем, что инструмент, оснащенный пластинами из СТМ и РК, обладает высоким запасом пластической прочности (высокие показатели по твердости, теплостойкости) при относительно небольшом запасе хрупкой проч­ности (невысокие показатели предела прочности при изгибе, ударной вязко­сти, трещиностойкости). Инструмент, оснащенный пластинами из твердого сплава различных марок, имеет весьма узкое служебное назначение, что пре­допределяется сочетанием основных физико-механических свойств каждой конкретной марки сплава. Так, высококобальтовые марки твердых сплавов, обладающие большим запасом хрупкой прочности, применяются для черновых операций, твердые сплавы с высоким процентным содержанием карбидов (WC, TiC, TaC и др.), которые имеют большой запас пластической прочности, используют преимущественно для чистовых операций (см. рис. 1.1).

При обработке конструкционных сталей на малых и средних скоростях ре­зания в сочетании со средними и большими сечениями среза большие пре­имущества получают инструменты из быстрорежущей стали. Это связано с относительно невысоким запасом пластической прочности быстрорежущего инструмента (средние значения твердости и теплостойкости) и его большой хрупкой прочностью, определяемой высокими показателями прочности при изгибе, ударной вязкостью, трещиностойкостью, выносливостью.

Значительной спецификой обладает выбор инструментального материала при резании труднообрабатываемых материалов. В частности, из-за высоких значений температуры при резании титановых сплавов, пластическое разруше­ние режущей части инструмента происходит при значительно более низких скоростях резания, чем, например, при обработке сталей. Кроме того, резко возрастает склонность инструмента к диффузионному изнашиванию, особенно при использовании инструмента, оснащенного пластинами титановольфрамо-кобальтового твердого сплава. В этом случае лучшие результаты обеспечива­ют инструменты, оснащенные пластинами из вольфрамокобальтового твердого сплава, имеющего достаточный запас пластической прочности.

Среди труднообрабатываемых материалов самую низкую обра­батываемость имеют жаропрочные сплавы на никелевой основе. Например, допустимая по хрупкой прочности предельная толщина среза апр при точении сплавов типа ХН55ВМТКЮ, ХН70ВМТЮ резцами g = 0…(-3°) и a = 8 …10° по данным соответственно составляет для быстрорежущих сталей (Р18, Р6М5) апр < 0,6…0,7 мм, для вольфрамокобальтовых сплавов (ВК8, ВК15) апр< <0,4…0,46 мм, а для титановольфрамокобальтовых сплавов (Т14К8, Т15К6) апр < <0,3…0,35 мм. Учитывая, что на операциях зачистки слитков перед их про­каткой толщина среза, исходя из технологического ограничения по шерохова­тости может достигать значений апр > 0,7 мм, то необходимо отметить, что ресурс инструментального материала по хрупкой прочности недостаточен даже для инструмента из наиболее прочной быстрорежущей стали, чтобы обеспечить достаточную производительность обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе. Существенное повышение производительности могло бы быть достигнуто при повышении прочности при изгибе сплавов группы ВК до 2000…3000 МПа без снижения твердости, теплопроводности и теплостойкости.

Рассмотрим на примере обработки сплава ХН55ВМТКЮ требования к ин­струментальному материалу для обеспечения высокопроизводительной обра­ботки с позиций предельной сопротивляемости инструмента пластическому разрушению. Поскольку твердость HVOM формируемой при резании стружки составляет около 4900…5400 МПа, то твердость HVим инструментального материала должна составлять не менее 6900 МПа. Аналогично при обработке сталей твердость стружки в среднем составляет около 2940 МПа, поэтому твердость инструментального материала должна быть выше 4900 МПа.

Если рассмотреть всю номенклатуру инструментальных материалов, то та­кую твердость при высоких температурах не имеет ни один материал, за ис­ключением алмаза и кубического нитрида бора. Однако алмаз при высоких температурах (Q > 1000 °С) интенсивно растворяется в никеле и поэтому со­противляемость алмазного инструмента диффузионному изнашиванию чрез­вычайно низка. Таким образом, инструмент, оснащенный алмазом, хотя и имеет высокий предел пластической прочности, но по показателям «диф­фузионная стойкость», «хрупкая прочность» непригоден для обработки сталей и высокопрочных сплавов. Непригодны для указанных целей также кубический нитрид бора и инструменты, оснащенные РК.

Анализ основных направлений совершенствования инструментальных ма­териалов (см. рис. 1.1) позволяет отметить, что они связаны с ростом твер­дости, теплостойкости, износостойкости при снижении прочностных характери­стик, вязкости и трещиностойкости. Следует отметить, что эти тенденции не соответствуют идее создания инструментального материала с оптимальным сочетанием свойств по твердости, теплостойкости, ударной вязкости, трещино­стойкости, прочности.

Очевидно, что решение проблемы создания инструментального материала с «идеальными» свойствами должно быть связано с разработкой композицион­ного инструментального материала, у которого высокие значения поверхност­ной твердости, теплостойкости, физико-химической инертности сочетались бы достаточными значениями прочности при изгибе, ударной вязкости, предела выносливости. Режущая часть инструмента, оснащенная пластинами из инст­рументального материала с «идеальными свойствами», обладала бы доста­точным запасом «хрупкой» и «пластической» прочности.

Наиболее эффективным путем формирования требуемых свойств припо­верхностных слоев инструментального материала без изменения заданных значений свойств, которые проявляются в геометрическом теле инструмента, является применение современных методов механического (поверхностное пластическое деформирование - ППД), химико-термического (ХТО), физико-химического (ФХО) упрочнения, нанесения износостойких покрытий и комбини­рованной поверхностной обработки, сочетающих методы ППД, ХТО, ФХО, и на­несения износостойких покрытий. В мировой практике указанные методы со­вершенствования инструментальных материалов находят все большее приме­нение, особенно при производстве многогранных неперетачиваемых пластин для механического крепления на режущем инструменте.

Идеология создания новых инструментальных материалов с высокими режущими свойствами должна базироваться на фундаментальных исследова­ниях теории резания материалов и, прежде всего, на таких ее разделах, как механика, контактные процессы, изнашивание и прочность инструмента, теп­лофизика резания.

На первом этапе проводится предварительный анализ и разрабатываются научные идеи. На этом этапе решаются задачи, связанные с установлением закономерностей связи между:

· составом, структурой и дефектностью инструментального материала с его основными физико-механическими и тепло-физическими свойствами (твер­дость, ударная вязкость, прочность при изгибе, теплопроводность и т.д.);

· основными свойствами инструментального материала и технологическими условиями его производства (условия термообработки, технология заточки и т.д.);

· основными свойствами инструментального материала и интенсивностью и характером изнашивания контактных площадок режущего инструмента для широкого диапазона изменения условий обработки (непрерывное, прерыви­стое, нестационарное резание).

Решение указанных научных задач позволяет сформировать банк инфор­мационно-статистических данных с учетом особенностей поведения материа­ла при эксплуатации инструмента. Появляется также возможность формирова­ния целевых функций, устанавливающих закономерности связи свойств мате­риала и эксплуатационных характеристик инструмента, разработки научных идей, которые можно использовать при создании инструментального ма­териала и совершенствовании его физико-химических, теплофизических и других свойств. Наконец, экспертная оценка разработанных решений позволя­ет выбрать оптимальные варианты. Мероприятия первого (научного) этапа разработок дают возможность сформулировать технические требования на создаваемый материал или ме­тод улучшения его свойств. При этом на основе анализа условий производства формируется банк статистических данных, на основе анализа структуры свойств инструментального материала формулируются целевые функции, раз­рабатывается идея создания инструментального материала с заданным ком­плексом свойств, на основе экспертиз и экспертных оценок принимаются соот­ветствующие решения.

На втором этапе (этапе создания материала) происходит непосредственная разработка, а также оптимизация свойств материала и технологии его произ­водства. На этом этапе уточняются условия испытаний, сертификации и опти­мальной эксплуатации режущего инструмента, изготовленного из разработан­ного материала.

В результате таких исследований разработаны особомелкозернистые твер­дые сплавы, новые марки сверхтвердых материалов, керамики, керметов, безвольфрамовых твердых сплавов, созданы методы упрочняющей обработки пластическим деформированием, а также химико-термического, магнитно-импульсного, лазерного упрочнения.

В настоящей главе дается краткий анализ основных разработок по созда­нию и совершенствованию инструментальных материалов, приведен обзор основных тенденций совершенствования инструментальных материалов в России и технологически развитых странах.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Накатники для зубчатых деталей, работающие по методу обкатки | Некоторые свойства наиболее применяемых углеродистых инструментальных сталей
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-20; Просмотров: 1984; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.025 сек.