Инструментальные стали

Режущие инструменты, изготовленные из углеродистых инструментальных ста­лей У10А, У11А, У12А, обладают доста­точной твердостью, прочностью и износо­стойкостью при комнатной температуре, однако теплостойкость их невелика. При температуре 200 — 250° их твер­дость резко уменьшается. Поэтому они применяются для изготовления ручных и машинных инструментов, предназна­ченных для обработки мягких метал­лов с низкими скоростями резания, таких как напильники, мелкие сверла, развертки, метчики, плашки и др. Угле­родистые инструментальные стали имеют низкую твердость в состоянии поставки, что обеспечивает их хорошую обрабаты­ваемость резанием и давлением. Однако они плохо закаливаются и требуют при­менения при закалке резких закалоч­ных сред, что усиливает коробление ин­струментов и опасность образования трещин.

Инструменты из углеродистых инстру­ментальных сталей плохо шлифуются из-за сильного нагревания, отпуска и по­тери твердости режущих кромок. Из-за больших деформаций при термической обработке и плохой шлифуемости угле­родистые инструментальные стали не используются при изготовлении фасон­ных инструментов, подлежащих шлифо­ванию по профилю.

С целью улучшения свойств углеро­дистых инструментальных сталей были разработаны низколегированные стали. Они обладают большей прокаливаемостью и закаливаемостью, меньшей чувст­вительностью к перегреву, чем углеро­дистые стали, и в то же время хорошо обрабатываются резанием и давлением. Применение низколегированных сталей уменьшает брак из-за деформации и тре­щин по сравнению с получаемым при термической обработке углеродистых сталей. Примером низколегированных сталей может служить сталь У11X, ко­торая представляет собой углеродис­тую сталь с небольшими добавками хрома.

Низколегированные стали не превос­ходят углеродистые стали по режущим свойствам, так как введение в сталь небольшого количества легирующих эле­ментов не повышает теплостойкость ста­ли. Поэтому область применения для низколегированных сталей рекоменду­ется та же, что и для углеродистых ста­лей.

Легированные инструментальные ста­ли отличаются от углеродистых более высокой прокаливаемостью и закалива­емостью, что позволяет производить за­калку инструментов с охлаждением в горячих средах и получать меньшую деформацию. В производстве режущих инструмен­тов из инструментальных легирован­ных сталей наибольшее применение на­ходят хромокремнистая сталь 9ХС и хромовольфрамомарганцовистая сталь ХВГ.

У стали 9ХС наблюдается равномер­ное распределение карбидов по сечению. Это позволяет использовать ее для резь­бонарезных инструментов с мелким ша­гом резьбы, особенно для круглых плашек.

Вместе с тем сталь 9ХС имеет повы­шенную твердость в отожженном состоя­нии, пониженную обрабатываемость, вы­сокую чувствительность к обезуглерожи­ванию при нагреве.

Сталь ХВГ имеет повышенную карбид­ную неоднородность, что усиливает выкрашивание режущих кромок и не позволяет рекомендовать ее для инстру­ментов, работающих в тяжелых усло­виях. Применяется она для изготовле­ния таких инструментов, как длинные развертки, метчики, протяжки, для ко­торых крайне нежелательна деформа­ция при закалке.

Вместо сталей 9ХС и ХВГ можно при­менять сталь ХГСВФ. Она имеет меньшую твердость после отжига и обезуглерожи­вается значительно меньше, чем сталь 9ХС.

По теплостойкости легированные ин­струментальные стали незначительно пре­восходят углеродистые. Они сохраняют высокую твердость при нагреве до 200—260° С. Поэтому эти стали непригодны для резания с повышенной скорос­тью, а также для обработки твердых материалов.

В настоящее время для изготовления металлорежущих инструментов приме­няются быстрорежущие стали. В зависи­мости от назначения их можно разде­лить на две группы: 1) стали нормальной производительности; 2) стали повышен­ной производительности.

К сталям первой группы относятся Р18, Р12, Р9, Р6МЗ, Р6М5, Р9М4; к сталям второй группы — Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2. В обозначении марок буква Р указы­вает, что сталь относится к группе быстрорежущих. Цифра, следующая за ней, показывает среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содер­жание ванадия в стали в процентах обо­значается цифрой, проставляемой за бук­вой Ф, кобальта — цифрой, следующей за буквой К.

Быстрорежущая сталь Р18, содержа­щая 18% вольфрама, долгое время бы­ла наиболее распространенной. Инстру­менты, изготовленные из этой стали, после термической обработки имеют твер­дость HRC 62—65, красностойкость 600° С и достаточно высокую прочность. Сталь Р18 сравнительно хорошо шлифует­ся. Существенным недостатком этой ста­ли является большая карбидная неодно­родность, особенно значительная в прут­ках большого сечения.

При увеличении карбидной неоднород­ности прочность стали снижается и при работе наблюдается выкрашивание ре­жущих кромок инструмента и снижение его стойкости.

Большое количество избыточной кар­бидной фазы делает сталь Р18 более мелкозернистой, менее чувствительной к перегреву при закалке, более износостой­кой. Из стали Р18 могут изготовляться всевозможные инструменты, в том чис­ле такие сложные как шеверы, долбяки, протяжки и др.

Сталь Р9 по красностойкости и режу­щим свойствам почти не уступает стали Р18.

Недостатком стали Р9 является по­ниженная шлифуемость, вызываемая сравнительно высоким содержанием ва­надия и присутствием в структуре очень твердых карбидов. Вместе с тем сталь Р9, по сравнению со сталью Р18, имеет бо­лее равномерное распределение карбидов, несколько большую прочность и плас­тичность, что облегчает ее деформируе­мость в горячем состоянии и имеет важное значение для инструментов, полу­чаемых различными методами пластиче­ской деформации. Из-за пониженной шли- фуемости сталь Р9 применяется в огра­ниченных пределах. Сталь Р12 равноценна по режущим свойствам стали Р18. По сравнению со сталью Р18 сталь Р12 имеет меньшую кар­бидную неоднородность, повышенную пластичность и пригодна для инструмен­тов, изготовляемых методом пластиче­ской деформации.

По сравнению со сталью Р9 сталь Р12 лучше шлифуется, что объясняется более удачным сочетанием легирующих эле­ментов.

Стали марок Р18М и Р9М отличаются от сталей Р18 и Р9 тем, что они в своем составе вместо вольфрама содержат до 0,6—1% молибдена (из расчета, что 1% молибдена заменяет 2% вольфрама). Эти стали имеют равномерно распределен­ные карбиды, но более склонны к обез­углероживанию. Поэтому закалку ин­струментов из этих сталей необходимо проводить в защитной атмосфере. По своим основным свойствам стали Р18М и Р9М не отличаются от сталей Р18 и Р9 и имеют ту же область примене­ния.

Вольфрамомолибденовые стали типа Р6МЗ, Р6М5 являются новыми сталями, значительно повышающими как проч­ность, так и стойкость инструмента. Мо­либден обусловливает меньшую карбид­ную неоднородность, чем вольфрам, вследствие чего замена 6—10% вольфра­ма соответствующим количеством молиб­дена снижает карбидную неоднородность быстрорежущих сталей примерно на 2 балла и соответственно повышает плас­тичность. Недостаток молибденовых ста­лей заключается в том, что они имеют повышенную чувствительность к обез­углероживанию.

Вольфрамомолибденовые стали реко­мендуется применять в промышленности наряду с вольфрамовыми для изготовле­ния инструмента, работающего в тяже­лых условиях, когда необходима повы­шенная износостойкость, пониженная карбидная неоднородность и высокая прочность. Сталь Р18, особенно в крупных сече­ниях (диаметром более 50 мм), с боль­шой карбидной неоднородностью целе­сообразно заменять на стали Р6МЗ и Р12. Сталь Р12 пригодна для протяжек, сверл, особенно в сечениях диаметром менее 60—70 мм. Сталь Р6МЗ целесооб­разно использовать для инструментов, изготовляемых способом пластической деформации, для инструментов, работа­ющих с динамическими нагрузками, и для инструментов больших сечений с ма­лыми углами заострения на режущей части.

Быстрорежущие стали повышенной производительности Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5 используются в основном при обработке жаропрочных сплавов, высо­копрочных и нержавеющих сталей, дру­гих труднообрабатываемых материалов, а также конструкционных сталей с по­вышенными режимами резания. В на­стоящее время применяются кобальто­вые и ванадиевые быстрорежущие стали. Легирование быстрорежущих сталей ко­бальтом и ванадием понижает проч­ность, но повышает красностойкость до 630—670°С. При этом возрастают их ре­жущие свойства, т. е. повышается стой­кость инструмента в 1,5—3,0 раза по сравнению со стойкостью инструментов из стали Р18.

Вместе с тем быстрорежущие стали повышенной производительности, со­держащие кобальт, имеют повышенную чувствительность к обезуглероживанию. Быстрорежущие стали повышенной про­изводительности шлифуются хуже ста­ли Р18 и требуют более точного соблюде­ния температур нагрева при термической обработке. В порядке ухудшения шлифуемости рассматриваемые стали распо­лагаются в такой последовательности: Р18Ф2, Р18К5Ф2, Р9К5, Р9К10, Р14Ф4, Р9Ф5, Р10К5Ф5. Ухудшение шлифуемости выражается в повышении износа абразивных кругов и увеличении толщи­ны поверхностного слоя стали, повреж­даемого при излишне жестком режиме шлифования. Быстрорежущие стали повышенной производительности из-за технологических недостатков не являются сталями универсального назначения. Они имеют относительно узкие границы примене­ния, более пригодны для инструментов, подвергаемых незначительному про­фильному шлифованию.

Материалы для абразивных инструментов.

В последнее время абразивные инструменты находят все более широкое применение в обработке резанием благодаря обеспечению высокой производительности, точности и минимальной шероховатости не только на чистовых операциях, но и при формообразовании фасонных профилей методом глубинного шлифования. Только абразивными инструментами
оказывается экономически целесообразной обработка современных труднообрабатываемых, сверхтвердых материалов и твердых сплавов. О
широком применении абразивных инструментов говорит тот факт, что парк станков для абразивной обработки достигает 20% от общего их числа, а в подшипниковой и некоторых других отраслях промышленности этот показатель достигает 60% и более.

Абразивные инструменты в своей основе содержат абразивные материалы, которые выпускаются в виде зерен и порошков и характеризуются высокими твердостью, прочностью, тепло- и износостойкостью.

По своему происхождению абразивные материалы делятся на естественные и искусственные. Последние, благодаря большей однородности и низкому содержанию примесей, получили наибольшее применение в производстве абразивных инструментов.

К искусственным абразивным материалам относятся: электрокорунды, карбиды кремния, карбиды бора, алмазы, КНБ (эльбор).

Электрокорунды получают плавкой в электрических печах боксита или глинозема, содержащих окись алюминия. В зависимости от процентного содержания корунда электрокорунды бывают следующих разновидностей:

  • нормальный электрокорунд марок 13А…16А содержит 93…96,5% корунда, характеризуется высокими прочностью и вязкостью, что позволяет использовать его как на чистовых, так и на обдирочных операциях при обработке различных металлов;
  • белый электрокорунд марок 22А…25А содержит 96…99% корунда и применяется для изготовления всех видов абразивных инструментов, а также микропорошков, используемых для обработки свободным абразивом;
  • хромистый электрокорунд марок 33А, 34А, титанистый электрокорунд марки 37А, хромотитанистый электрокорунд марок 91А…94А содержат 95…98% корунда с добавлением хрома и титана, что улучшает их абразивные свойства. Легированные электрокорунды применяются для изготовления всех видов абразивных инструментов и, по сравнению с обычными электрокорундами, обеспечивают значительное повышение производительности при обработке конструкционных и углеродистых сталей;
  • циркониевый электрокорунд марки 38А состоит из корунда (75…80%) и окиси циркония и используется для изготовления обдирочных кругов. По сравнению с кругами из электрокорунда круги из циркониевого электрокорунда работают на повышенных режимах резания, а их стойкость на обдирочных операциях увеличивается до 40 раз.

Монокорунд марок 43А…45А содержит 98% корунда, обладает высокими механическими и режущими свойствами и применяется для изготовления всех видов абразивных инструментов, используемых для обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Карбид кремния получают плавкой в электропечах кремнезема и материалов с высоким содержанием углерода (кокс, антрацит и т.п.). В зависимости от процентного содержания чистого карбида и цвета различают карбид кремния зеленый (SiC=<7%) и карбид кремния черный (SiC =< 95%):

  • карбид кремния зеленый марок 62С…64С обладает большими твердостью и абразивной способностью, но меньшей вязкостью. Изготавливается в виде кругов, брусков, абразивной шкурки, паст и применяется для обработки твердых сплавов (пластмассы, камень, мрамор и др.);
  • карбид кремния черный марок 52С…54С отличается большей хрупкостью и применяется для обработки заготовок из чугуна, цветных металлов, неметаллических хрупких материалов.

Карбид бора марки КБ получают плавкой шихты из технической борной кислоты B2O3 и нефтяного кокса. Карбид бора содержит 84…93% кристаллического карбида бора B4C, имеет малую зернистость, очень высокую твердость и хрупкость, и поэтому его выпускают в виде порошков и паст и используют для обработки (доводки) незакрепленным зерном деталей из твердого сплава и чугунов.

Алмаз синтетический выпускают в виде зерен размерами 0,1…3000 мкм и применяют для изготовления кругов, паст, брусков, а также карандашей и роликов для правки шлифовальных кругов. При обработке твердых сплавов шлифованием, резке и доводке используют кристаллические синтетические алмазы марок АС2…АС6, АС15, АС20, АС32, АС50 или поликристаллические марок АРК4, АРС3 с покрытием зерен карбидом вольфрама (К) и кремнием (С), повышающих их производительность и прочность. Микропорошки марок АСМ и АСН нормальной и повышенной режущей способности применяют для изготовления всех видов абразивных инструментов, а также в виде паст для доводки и притирки.

Кубический нитрид бора (эльбор) применяют для обработки изделий из легированных и закаленных сталей. В зависимости от вида сырья для синтеза, способа получения, прочности и наличия покрытий эльбор производится следующих марок: ЛО, ЛП и ЛКВ – соответственно, обычной, повышенной и высокой механической прочности; ЛД – поликристаллический; ЛОМ и ЛОС – с покрытием пленками, содержащими кремень или углерод. Из эльбора изготавливают все виды инструментов.

Основные части и конструктивные элементы режущих инструментов

Любой из режущих инструментов имеет рабочую (режущую) и крепежную части. В основе режущей части лежит клин, предназначенный для снятия стружки.

Крепежная часть, оформленная в виде корпуса или хвостовика, служит для установки, базирования и закрепления инструмента на станке.

Режущий клин ограничен двумя поверхностями: передней, по ко-торой сходит стружка, и задней, обращенной к поверхности резания, которая образуется после снятия стружки. Если эти поверхности пло-ские, их называют гранями. При пересечении они образуют режущую кромку (лезвие).

Различают главную и вспомогательную режущие кромки. Первая служит для срезания основной части припуска, а вторая – лишь частично участвует в этом процессе и служит для зачистки и окончательного формирования обработанной поверхности. У некоторых инструментов, например резьбонарезных, вспомогательные режущие кромки отсутствуют. Для обеспечения работоспособности многолезвийных инструментов пространство между зубьями должно быть достаточным по объему для свободного размещения снимаемой стружки. С этой же целью на передних поверхностях часто предусматривают углубления, уступы и другие элементы для завивания или дробления стружки. При большой ширине срезаемых слоев на режущих кромках делают канавки или выемки для деления стружки по ширине и рационального распределения нагрузки между зубьями.

У многих режущих инструментов (сверла, зенкеры, развертки, про-
тяжки и др.) рабочая часть делится на режущую и калибрующую.

Режущая часть служит для снятия основного припуска, а калибрующая – для окончательного формирования обработанной поверхно-
сти и восполнения режущей части инструмента при переточках. В неко-
торых случаях она также служит для направления инструмента и обес-
печения его самоподачи, например у резьбонарезных инструментов.

У инструментов для обработки отверстий калибрующая часть оформляется в виде ленточек, на которых расположены вспомогательные режущие кромки. При этом ленточки служат для направления и базирования инструментов в отверстии, а вспомогательные кромки – для окончательного формирования обработанной поверхности отверстий. Для предотвращения защемления инструментов в отверстии и снижения сил трения на ленточках вследствие упругой деформации обработанных поверхностей, как правило, предусматривается небольшая обратная конусность, т.е. уменьшение наружного диаметра инструмента в направлении к хвостовику.

Для подвода смазочно-охлаждающих технологических средств
(СОТС) в рабочей части инструментов могут быть выполнены внутренние каналы.

В зависимости от назначения инструмента и формы поверхности
детали режущие кромки по форме могут быть прямолинейными, винтовыми или фасонными.

Винтовые стружечные канавки и режущие кромки, располагаемые
на них, обеспечивают лучшие условия удаления стружки из зоны резания и более равномерную работу инструмента.

Работоспособность, прочность и стойкость всех режущих инструментов зависят от материала, из которого изготовлен режущий клин, физико-механических свойств обрабатываемого материала (твердость, прочность и др.) и от углов заточки режущего клина, называемых геометрическими параметрами инструмента. На оптимальное значение последних влияют режимы резания: скорость v, подача s и глубина t.

На рабочих чертежах инструментов не принято указывать угол заострения  режущего клина. Приводят только значения углов заточки: переднего  и заднего  , имея в виду, что   90  (  ) . Эти углы отсчитываются от координатных плоскостей: основной и плоскости резания, задаваемых кинематикой взаимодействия инструмента и заготовки в процессе резания. Положение взаимно перпендикулярных координатных плоскостей (рис. 1, а) определяется двумя линиями: режущей кромкой и векторами скорости резания (плоскость резания) и подачи (основная плоскость). Передний угол  – это угол между передней плоскостью и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания. Задний угол  – это угол зазора между задней поверхностью и плоскостью резания. Если в сечении, нормальном к режущей кромке, передняя и задняя поверхности инструмента криволинейны, то их заменяют прямыми, касательными к ним (рис. 1, б). Кроме обязательных углов  и  , режущие кромки могут быть заточены также с углами в плане
и 1  и с угломнаклона главной режущей кромки к основной плоскости.

Рис. 1. Сечение режущего клина инструмента плоскостью, нормальной к главной режущей кромке: а – передняя и задняя поверхности (грани) прямолинейные; б – передняя и задняя поверхности криволинейные

На форму режущих кромок, а также стойкость инструмента, производительность и точность изготовления детали оказывают влияние принятый метод формообразования поверхности детали и принятая схема резания.

Окончательное формообразование поверхности детали может быть
осуществлено методами: следа, копирования и обката.

При использовании метода следа (рис. 2, а) обработанная поверхность образуется вершиной режущей кромки в соответствии с формой траектории ее движения, задаваемой станком.

Форма режущей кромки совпадает с образующей обработанной поверхности только при методе копирования (рис. 2, б), реализуемом при радиальной подаче инструмента.

Рис. 2. Методы формообразования инструментом (И) поверхности детали (Д) при точении: а – по следу; б – копирования; в – огибания

При методе обката (рис. 2, в) обработанная поверхность является огибающей различных положений режущей кромки, которые обеспечиваются кинематикой процесса обработки, т. е. согласованными движениями инструмента и заготовки.

Под схемой резания понимают последовательность удаления припуска режущими кромками. В конструкциях режущих инструментов применяются следующие схемы резания: профильная, генераторная, комбинированная, одинарного и группового резания.

При профильной схеме режущие кромки подобны профилю обработанной поверхности, а припуск удаляется за счет превышения каждого последующего зуба над предыдущим. Таким образом, обработанная поверхность окончательно формируется последним режущим зубом, т.е. применяется комбинированная схема.

При генераторной схеме форма режущей кромки не совпадает с профилем детали, а обработанная поверхность формируется последовательно всеми зубьями инструмента. При этом качество поверхности несколько ухудшается, но удается значительно увеличить подачу и стойкость инструмента. В этом случае для снижения шероховатости поверхности последние зубья инструмента выполняют по профильной схеме.

Эти схемы резания, а также одинарная и групповая схемы используются главным образом при протягивании и служат для перераспределения нагрузки между зубьями.

При заточке режущих клиньев на зубьях, предназначенных для чистовой, окончательной обработки, необходимо обратить внимание на остроту лезвия, которая характеризуется радиусом скругления  , и назначаемую толщину срезаемого слоя. На инструментах из быстро режущей стали после заточки и доводки минимальное значение радиуса  =0,005 мм. Затупление режущего клина вызывает увеличение этого радиуса, и при az 0,02 мм вместо резания происходит смятие и уплотнение срезаемого слоя (рис. 3, а). При этом возможно появление нароста и резкое ухудшение качества обработанной поверхности. Снятие минимальной толщины среза требует тщательной заточки и доводки рабочих поверхностей режущего клина.

Рис. 3. Форма режущего клина при:
а – заточке; б – износе по передней грани; в – износе по задней грани

При работе с большими подачами износ клина концентрируется на
передней поверхности в форме лунки (рис. 3, б), а при снятии тонких
стружек и при обработке хрупких материалов – на задней поверхности в
виде площадки износа (рис. 3, в). Это необходимо учитывать при на-
значении припуска на переточку и выборе формы режущих зубьев и
методов их заточки.