Лекция 1 Введение. Инструментальные стали
Обработка резанием является и на многие годы остается основным технологическим приемом изготовления точных деталей машин. Доля обработки металлов резанием в машиностроении составляет около 30% и, следовательно, оказывает решающие влияние на темпы развития машиностроения. Обработка резаньем имеет достаточно высокую производительность и отличается исключительной точностью по сравнению с другими методами формообразования.
Процесс резания заключается в снятии с заготовки определенного слоя металла для получения из нее детали необходимой формы и размеров с соответствующим качеством обработанной поверхности. По своей сущности процесс резания является процессом пластического деформирования и удаления слоя металла под действием клинообразного твердого тела – инструмента.
Если не опираться на теоретические основы процесса резанья металлов, то невозможно спроектировать научно-обоснованный процесс и дать оценку его эффективности. Сознательное назначение режимов резания и проектирования режущих инструментов невозможно без знания основных законов производительного резания, базирующихся на процессах, происходящих в зоне деформации и на контактных поверхностях инструментов.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Для того, чтобы инструмент мог удалить с заготовки припуск, оставленный на обработку, инструменту и заготовке сообщают движение с определенным направлением и скоростью. Одно из движений сообщаемых инструменту или детали называют движением резания, а другое - движением подачи.
ДВИЖЕНИЕМ РЕЗАНИЯ называют такое, которое необходимо, чтобы для осуществления процесса превращения срезаемого слоя в стружку.
ДВИЖЕНИЕ ПОДАЧИ называют такое движение, которое необходимо, чтобы указанный процесс осуществлялся непрерывно или повторялся периодически.
Отличительным признаком движения резания является также и то, что скорость этого движения во много раз превышает скорость движения подачи.
Скоростью движения резания называют СКОРОСТЬЮ РЕЗАНИЯ; скорость движения подачи называют просто ПОДАЧЕЙ.
Рассмотрим эти движения на примере широко распространенного вида обработки - продольного точения (рис. 1.). При продольном точении движением резания является вращательное движение детали, а движением подачи - прямолинейное движение резца вдоль оси детали, которое осуществляется одновременно с движением резания.
Если движение подачи остановить, то обработка детали закончится после одного оборота заготовки.
В зависимости от того, совершаются движения резания и подачи одновременно или в разное время, все инструменты делят на две группы:
1. ИНСТРУМЕНТЫ С ПРОСТЫМ ДВИЖЕНИЕМ - когда эти движения (движения резания и движения подачи) выполняются раздельно.
2. ИНСТРУМЕНТЫ СО СЛОЖНЫМ ДВИЖЕНИЕМ - когда эти движения осуществляются одновременно.
Таким образом токарные резцы являются инструментами со сложным движением.
Если при сложном рабочем движении инструмента сложить векторы скорости резания Vи подачиSн, то результирующий векторWназывают вектором ИСТИННОЙ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ. Вектор истинной скорости резания всегда касателен к траектории рабочего движения инструмента. На данном рисунке она обозначена цифрой 4. Црж продольном точении траекторией является ВИНТОВАЯ ЛИНИЯ с винтовой осью, совпадающей с осью детали.
В процессе резания припуск на детали различают характерные поверхности:
1 - ОБРАБАТЫВАЕМАЯ ПОВЕРХНОСХЬ - это поверхность заготовки детали.
3 - ПОВЕРХНОСТЬ РЕЗАНИЯ - это поверхность, образующаяся непосредственно лезвием инструмента в процессе резания. Она является переходной между обрабатываемой и обработанной поверхностями. При продольном точении поверхность резания является КОНВОЛЮТОЙ винтовой поверхностью.
2. - ОБРАБОТАННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ - это поверхность, образующаяся на детали после снятия припуска.
Реальная форма обработанной поверхности всегда отличается от идеальной поверхности, заданной чертежом.
Для того, чтобы режущий инструмент мог осуществлять процесс резания его рабочая поверхность должна быть очерчена определенными поверхностями. Рассмотрим эти поверхности на примере наиболее распространенного инструмента - резца (рис. 2.)
ПЕРЕДНЯЯ ПОВЕРХНОСТЬ 1 - это поверхность, по которой в процессе резания сходит стружка.
ЗАДНЯЯ ПОВЕРХНОСТЬ - это поверхность, которая обращена к поверхности резания.
ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ ЗАДНЯЯ ПОВЕРХНОСТЬ - это поверхность, вторая обращена к обработанной поверхности.
ГЛАВНОЕ РЕЖУЩЕЕ ЛЕЗВИЕ 4 образуется в результате пересечения передней и задней поверхностей.
ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ РЕЖУЩЕЕ ЛЕЗВИЕ 5 образуется в результате пересечения передней и вспомогательной задней поверхностей.
Между главной и вспомогательной режущими кромками располагается переходное лезвие, которое у некоторых инструментов может отсутствовать.
Если в работе участвуют два лезвия - главное и вспомогательное, то резание называется НЕСВОБОДНЫМ. Если в работе участвует только одно главное режущее лезвие, то резание называют СВОБОДНЫМ, (см. рис. 3.).
Положение режущих кромок и рабочих поверхностей в пространстве режущего инструмента определяется следующими геометрическими параметрами.
- углом между проекцией главного лезвия на опорную плоскость и плоскостью, перпендикулярной опорной и боковой плоскостям резца.Положение главного режущего лезвия определяется ГЛАВНЫМ УГЛОМ В ПЛАНЕ
Положение вспомогательного лезвия определяется ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ УГЛОМ В ПЛАНЕ 1- углом между проекцией вспомогательного режущего лезвия на опорную плоскость и плоскостью, перпендикулярной опорной и боковой плоскостям резца.
- отрицательный.откладывается вне тела резца, тоположительный. Если уголоткладывается в тело резца, томожет быть положительным и отрицательным. Если уголизмеряется в главной секущей плоскостиNN, которая перпендикулярна проекции главного лезвия на опорную плоскость. Угол- углом между плоскостью, касательной к передней поверхности и плоскостью, параллельной опорной плоскости резца, УголПоложение передней поверхности определяется ПЕРЕДНИМ УГЛОМ
измеряется в главной секущей плоскостиNN.- углом между плоскостью, касательной к задней поверхности и плоскостью, проходящей через главное режущее лезвие, перпендикулярно опорной плоскости. Задний угол по знаку должен быть только положительным. В противном случае лезвие резца не коснется поверхности резания. УголПоложение задней поверхности определяется ЗАДНИМ УГЛОМ
Положение вспомогательной задней поверхности определяется ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ЗАДНИМ УГЛОМ 1- углом между плоскостью, касательной к вспомогательной задней поверхности и плоскостью, проходящей через вспомогательное лезвие перпендикулярно опорной плоскости.
- отрицательный.- положительный, а если наивысшей точкой , тохарактеризуется абсолютной величиной и знаком. Если вершина резца является наинизшей точкой главного лезвия, то угол- углом между касательной к главному лезвию и плоскостью параллельной опорной плоскости. УголПоложение главного лезвия относительно опорной плоскости определяется УГЛОМ НАКЛОНА ГЛАВНОГО РЕЖУЩЕГО ЛЕЗВИЯ
Рассмотренные углы в статике могут значительно изменятся в процессе резания или установки на станке.
и займет положение А'А' (см. рис.). В результате величина действительных углов в процессе резания будет отличаться от углов резца, полученных при изготовлении.Если вершину резца установить выше или ниже оси детали, то плоскость резания отклонится от вертикального положения на угол
р- увеличивается,+=р- уменьшается (при установке вершины выше оси детали).-=
При установке вершины резца ниже оси детали руменьшается, ар- увеличивается, т. е.
р;-=р+=
При внутреннем растачивании углы изменяются в обратном направлении:
При установке выше оси детали
р;-=р+=
При установке резца ниже оси детали
р+=
р-=
0,03 отD.Смещение вершины резца допускается в пределах 0,02
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩЕЙ ЧАСТИ ИНСТРУМЕНТА
Производительная обработка резанием во многом зависит от материала режущей, части инструмента. Оснащение инструмента быстрорежущими сталями (взамен углеродистых), твердыми сплавами, синтетическими сверхтвердыми материалами в процессе развития и совершенствования конструкций инструмента сопровождалось повышением скорости резания от 2-х до 5 раз, а следовательно, повышением производительности труда.
На рисунке 1 представлены данные, которые приводит шведская фирма " SandvikCoromant", свидетельствующие об этом. Увеличение скорости резания потребовало существенного усовершенствования конструкции станков, прежде всего увеличения их быстроходности, мощности и жесткости.
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ
Для того, чтобы обеспечить качественную высокопроизводительную обработку, материалы, применяемые для армирования режущих инструментов, должны удовлетворять ряду требований. Эти требования определяются условиями, в которых находятся контактные поверхности инструмента при срезании припуска, оставленного на обработку. Режущий клин инструмента срезает с поверхности резания слой металла толщиной а. Стружка соприкасается с передней поверхностью инструмента в пределах площадки контакта шириной С. (рис. 2.)
Для того, чтобы режущий клин не деформировался, твердость инструментального материалаHидолжна значительно превосходить твердость Нмобрабатываемого материала.
I. Поэтомупервым требованием, предъявляемым к инструментальным
Рис. 1. Влияние совершенствования инструментальных материалов на производительность механической обработки
Рис. 2. Схема срезания припуска режущим клином инструмента.
материалам, является его высокая твердость.
При резании контактные нормальные напряжения, возникающие от давления стружки на переднюю поверхность, достигают больших значений (порядка 50-70 кг/мм2). Помимо этого инструментам зачастую приходится работать в условиях прерывистого 2) резания. Поэтомувторым требованиемявляется достаточновысокая механическая прочность.
= 800.... 900° С и выше в зависимости от режима резания. В результате этого инструментальный материал теряет свою исходную твердость. ПоэтомуВ процессе резания на контактных поверхностях инструментов развивается высокая температура третьим требованиеявляетсявысокая теплостойкость, под которой подразумевается способность материала сохранять при нагреве твердость, достаточную для осуществления процесса резания.
Кроме этого, инструментальный материал должен обладать малойчувствительностью ктепловым циклическим нагрузкам, что характерно для прерывистого резания. Это являетсячетвертым требованием.
Высокие скорости относительного перемещения заготовки, стружки и инструмента вызывает интенсивный износ контактных поверхностей. В связи с этимпятым требованиемявляетсявысокая износостойкость материала.
Высокая теплопроводностьинструментального материала способствует лучшему отводу тепла из зоны резания и повышает износостойкость. Это являетсяшестымтребованием.
Седьмое и последнее из основных требований относится к экономичности инструментального материала. Он должен быть по возможности дешевым и не содержать дефицитных элементов.
Всем перечисленным требованиям в той или иной степени отвечают следующие группы инструментальных материалов:
1. Углеродистые инструментальные стали
2. Легированные инструментальные стали
3. Быстрорежущие стали
4. Твердые сплавы
5. Минеральная керамика
6. Алмазы и синтетические сверхтвердые материалы.
Основные физико-механические свойства перечисленных материалов
приведены в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1
Материал
|
-в, МПа
|
, МПа
|
Твердость по Викерсу
HV(МПа) при
Стемпературе
|
Теплостой-кость,
С
|
20
|
400
|
600
|
1000
|
Инструментальные
стали
|
4000
|
1500-3500
|
800-900
|
200-550
|
70-270
|
-
|
200-300
|
Быстрорежущие
стали
|
2500-4000
|
2500-3000
|
850-900
|
600-700
|
450-550
|
30-50
|
620-725
|
Твердые сплавы
|
3000-5000
|
1000-2000
|
1400-1800
|
1100-1200
|
800-1000
|
300-500
|
800-1200
|
Минеральная
керамика
|
2500-5000
|
400-700
|
2000-2300
|
1600
|
1300
|
900
|
Выше 1000
|
Сверхтвердые
материалы
|
2000-6500
|
300-500
|
6000-10000
|
3000-9000
|
2000-6000
|
1500-4500
|
-
|
УГЛЕРОДИСТЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
Для изготовления режущих инструментов применяют высокоуглероди-стые (заэвтектоидные) высококачественные стали с содержанием углерода от 0,9 до 1,3%. Используют следующие марки сталей: У9А, У10А, У12А, У13A.
Для получения необходимой твердости углеродистые стали подвергают закалке с последующим отпуском для снятия остаточных напряжений и повышения прочности и вязкости. Температура закалки колеблется в пределах 760-820°С в зависимости от размеров инструмента и содержания углерода. В результате термообработки стали приобретают HRС 61-63 ии15 м/мин (метчики, сверла малых диаметров, плашки, напильники и др.).= 200…250°С. Структура сталей после термообработки состоит из мартенсита, цементита и остаточного аустенита. При температуре 200-2500°С происходит выделение карбидов железа, их размеры увеличиваются и твердость падает. В связи с этим из углеродистых сталей изготавливают инструменты, работающие при скорости резанияV10= 2000-2200 МПа. Стали хорошо шлифуются и являются дешевым материалом. К недостаткам этих сталей относится их низкая закаливаемость, требующая при закалке резких закалочных сред (вода), что увеличивает напряжения деформации в инструменте. Главным недостатком этих сталей является их низкая теплостойкость
II. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
1,3 раза. Низколегированные стали делятся на стали низкой и высокой прокаливаемости.Улучшить свойства углеродистых сталей можно за счет добавления, (легирования) в них небольших количествах хрома, марганца, кремния. Это позволяет повысить их прокаливаемость и несколько увеличить температуру распада мартенсита закалки до 250-300°С, т.е. повысить их красностойкость и, следовательно, повысить скорость резания в 1,1
К первой группе относятся стали марок 11ХФ, I3X, ХВ4. Содержание хрома в этих сталях 0,2-0,7%, ванадия - 0,15-0,3%. Из этих сталей изготавливают ножовочные полотна, развертки, фасонные резцы.
С, в результате чего достигается твердостьHRC63-67. Наибольшее распространение получили стали марок 9ХС, ХВГ.К сталям глубокой прокаливаемости относятся стали марок 9ХС, 9ХФ, ХВГ, ХВСГ. В этих сталях хрома значительно больше - 0,8-1,5%. Из этих сталей изготавливают протяжки, сверла, метчики. Термообработка низколегированных сталей заключается в закалке в масле при температуре нагрева 820-875°С с последующим отпуском при температуре 150-180
Ш. БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ
Быстрорежущие стали отличаются от легированных присутствием в них значительно большего количества карбидообразущих элементов, таких как:вольфрам,молибден,ванадий,хром. Введение этих элементов в определенных количествах и сочетаниях приводит к образованию сложных карбидов, связывающих почти весь углерод, в результате чего процесс коагуляции карбидов, выделяющегося из мартенсита, начинается при значительно более высоких температурах и теплостойкость стали возрастает.
Обозначение марки быстрорежущей стали включает в себя буквы, обозначающие основные элементы:
Р - вольфрам (от слова Rapid- быстрый),
М - молибден, Ф - ванадий, К - кобальт и .цифры (за буквами), обозначающие среднее массовое содержание элемента в %.
Содержание хрома ( 4%) в обозначении всех марок быстрорежущих сталей не указывается. Влияние отдельных элементов на свойства сталей различно.
Вольфрам- придает стали теплостойкость,
Хром- придает стали хорошую прокаливаемость,
Ванадий- увеличивает теплостойкость, но ухудшает шлифуемость,
Молибден- влияет на теплостойкость стали также как и вольфрам, если их соотношение по массе Мо :W= 1,0 : 1,5 и в случае, если в сталь вводится до 5% Мо.
Кобальт- в стали карбидов не образует, но повышает ее твердость и теплостойкость. При массовой доли кобальта в стали более 5% увеличивается ее хрупкость.
Существенным недостатком быстрорежущих сталей является значительная карбидная неоднородность. Она сильнее выражена в сталях с повышенным содержаниемвольфрама,ванадия,кобальтаи меньшей степени в сталях, легированных молибденом. Карбидная неоднородность сталей оценивается по 8-балльной шкале. 1 балл соответствует равномерному распределению карбидов, а 8-ой - литой структуре. Инструменты из стали с большой карбидной неоднородностью имеют пониженную стойкость и повышенную хрупкость.Для устраненияэтого при изготовлении инструментов их заготовки подвергают неоднократной проковке.
Термическая обработкаинструментов из быстрорежущей стали состоит иззакалкис последующим 2-х или 3-х кратным отпуском при температуре 550-580°С. Нагрев под закалку производится до температуры 1260-1300°Сс целью растворенияв аустените возможно больше легированных карбидов. В процессе закалки не весь аустенит превращается в мартенсит. Часть его присутствует в виде остаточного аустенита.При отпускепроисходитпревращениеостаточногоаустенита в мартенсити выделение дисперсных частиц карбидов, что приводит к повышению твердости. После закалки и отпуска быстрорежущая стальсостоит из 2-х фаз:
1. Мартенсита, легированного вольфрамом или молибденом, и, в меньшей степени ванадием и хромом.
2. Дисперсных карбидов вместе с избыточными карбидами, не растворившимися при закалке.
Высокая теплостойкость быстрорежущих сталей позволяет работать со скоростями резания в 2,5-3 раза более высокими, чем те, которые при равной стойкости допускают инструменты из быстрорежущих сталей.
В зависимости, от уровня теплостойкости быстрорежущие стали делятся на стали нормальной теплостойкости (к620°С) и стали повышенной теплостойкости (к630°С).
Наиболее распространенные марки сталей, их состав и основные физико-механические свойства приведены в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2
Марка
стали
|
Массовая доля компонента, %
|
HRC
|
и,
МПа
|
,
С
|
Группа
применя-
емости
|
C
|
Cr
|
W
|
Mo
|
V
|
Co
|
|
|
|
|
Р18
|
0,7-0,8
|
3,8-4,4
|
17,0-18,5
|
1,0 не более
|
1,0-1,4
|
-
|
62
|
2900-3100
|
620
|
Нормаль-ной
производи-тельности
(HSS)
|
Р6М5
|
0,8-0,98
|
3,8-4,4
|
5,5-6,5
|
5,0-5,5
|
1,0-2,1
|
-
|
63
|
3300-3400
|
620
|
10Р6М5
|
0,96-1,05
|
3,9-4,3
|
5,7-6,7
|
5,5-6,0
|
2,2-2,6
|
-
|
64
|
3500
|
620
|
Р12Ф3
|
0,94-1,04
|
3,5-4,0
|
12,0-13,5
|
0,5-1,0
|
2,5-3,0
|
0,6
|
63
|
3000-3100
|
630
|
Повышен-ной
производи-тельности
HSS-Е,
HSS-Co
|
Р9К5
|
0,9-1,0
|
3,8-4,4
|
9,0-10,5
|
1,0 не более
|
2,0-2,6
|
5,0-6,0
|
63
|
2500
|
640
|
Р10К5Ф5
|
1,45-1,55
|
4,0-4,6
|
10,0-11,5
|
1,0 не более
|
4,3-5,1
|
5,0-6,0
|
63
|
3500
|
640
|
Р6М5К5
|
0,8-0,88
|
3,8-4,3
|
6,0-7,0
|
4,8-5,3
|
1,7-2,2
|
4,8-5,3
|
64
|
3000
|
630
|
Р6М5Ф2К8
|
0,95-1,05
|
3,8-4,3
|
5,5-6,5
|
4,8-5,3
|
1,8-2,3
|
7,5-8,5
|
64-68
|
3000-3500
|
640
| |
Скачать 33.73 Kb.