Современные инструментальные материалы

От назначения инструмента зависят требования, предъявляемые к механическим и эксплуатационным свойствам материалов. Нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации инструмента, зависят от технологического процесса формообразования, что определяет следующие виды инструмента: для холодного деформирования, для горячего деформирования и литья, режущие инструкменты, измерительные инструменты.

Основные виды инструмента для холодной деформации: штампы вырубные, вытяжные, для деформации материала выдавливанием, для холодной штамповки, гибочные, инструменты для холодной прокатки и инструменты для холодной резки.

Инструменты для горячей деформации и литья: ковочные и прессовые штампы, инструменты для выдавливания прутков и труб, инструменты для жидкой штамповки и литья.

Сегодня в машиностроении и инструментальном производстве выделяются две тенденции. С одной стороны – увеличение требований к стойкости режущего инструмента, повышение скорости резания и производительности. После замены инструмента из быстрорежущей стали твердосплавным для операций сверления, фрезерования и точения, уделяется серьезное внимание развитию производства новых инструментальных материалов для высокоскоростной обработки с целью снижения себестоимости металлообработки. С другой стороны, новые обрабатываемые материалы, включая композитные кевлары и углепластики, предъявляют более новые требования к режущему инструменту. Требуются новые инструментальные материалы с повышенными физико-механическими свойствами и особенно с более высокой износостойкостью.

Основные факторы, влияющие на эффективность работы режущего инструмента – материал режущей части, конструкция инструмента и условия его эксплуатации. Режущая часть инструмента выполняется из инструментальной стали, твердого сплава, режущей керамики, поликристаллического алмаза или сверхтвердого синтетического материала (СТМ).

Оптимальная конструкция (цельный, составной, сборный) определяется его размерами, характеристиками станка, требованиями по производительности и точности изготовления деталей.

Форма режущей кромки и схема резания взаимосвязаны и формируются на основе величины снимаемого припуска, режимов резания, формы детали, способа обработки. Способы дробления и отвода стружки зависят от вида обработки (черновая, чистовая, резание в сплошном материале), свойств материала, режимов резания. Способы крепления режущих элементов и всего режущего инструмента выбираются с учетом типа инструмента, его размеров, режимов резания, вида обработки и типа станка.

Подвод в зону резания смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС) зависит от условий обработки и осуществляется в основном по двум схемам: внешний подвод СОТС и по каналам в корпусе режущего инструмента. В процессе резания из-за нестабильности сил резания возникают вибрации, что приводит к ухудшению качества обработанной поверхности. Для устранения вибраций в конструкциях инструментов применяются различного типа устройства для уменьшения амплитуды колебаний режущей кромки.

Рис. 1. Сборная СМП с демпфирующим элементом

Проблемы повышения виброустойчивости инструмента, оснащенного твердосплавными пластинами, решаются за счет применения сборных твердосплавных пластин с демпфирующими свойствами. Для этого в отверстие сменной многогранной пластины устанавливается вставка, которая может иметь различные формы в зависимости от метода и конструкции крепления пластины (рис. 1).

Материал вставки – сплавы систем Cu-Mn, Fe-Cr, Fe-Al, которые имеют высокую демпфирующую способность и низкий коэффициент линейного расширения. Таким образом, под действием переменных сил резания в стыке между механизмом крепления и пластиной демпфируются колебания (патент РФ №2323064).

Основное преимущество разработки – универсальность метода, возможность применения на сборных инструментах с креплением через отверстие твердосплавной пластины без изменения их конструкции. Демпфирующая способность вставки может подбираться под конкретные условия обработки.

Испытания демпфирования вставок из различных материалов показали уменьшение автоколебаний твердосп лавной пластинки относительно корпуса инструмента от 10% до 40%.

Сборный режущий инструмент, оснащенный такими пластинами, применяется в условиях повышенных вибрационных нагрузок (обработка фасонных, резьбовых, прерывистых поверхностей, прерывистое резание и др.).

Другим направлением совершенствования сборного твердосплавного инструмента является конструирование инструментов с твердосплавными пластинами, расположенных по контуру сложного профиля детали. В зависимости от размеров исходного инструментального профиля и возможных размеров пластин, последние располагаются по контуру. На расположение и форму пластин влияет диаметр самой фрезы и количество зубьев. Пластины располагаются по контуру детали в шахматном порядке со сдвигом относительно предыдущего ряда на некоторую величину, которая устанавливаются в зависимости от требований к шероховатости изделия и количества зубьев фрезы. Пластины и их расположение возможно комбинировать по форме и размерам. Например, при стыковке криволинейного участка профиля с прямолинейным участком или при пересечении под некоторым углом двух криволинейных или прямолинейных участков профиля.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что роль режущего инструмента все больше возрастает на операциях механической обработки, характеризующихся повышенными теплосиловыми нагрузками – при высокоскоростном резании, при обработке деталей из закаленных, коррозионностойких, жаропрочных сталей и сплавов, а также различных композиционных материалов.

Постоянно идёт работа в направлении создания максимально универсальных инструментальных материалов, которые смогли бы обеспечить высокие эксплуатационные показатели металлообрабатывающего инструмента при разнообразном характере условий его эксплуатации. Современные инструментальные материалы специализированы для определенных условий работы и имеют различные физико-механические свойства – например, быстрорежущие стали характеризуются высокими прочностными свойствами, но имеют сравнительно невысокую твердость и теплостойкость, а режущая керамика, напротив, имеет высокие значения твердости и теплостойкости, но обладает низкими прочностными свойствами.

Поскольку создание нового материала является чрезвычайно дорогостоящим процессом, порой растягивающимся на десятилетия, сегодня во всем мире очень активно развивается направление, связанное с улучшением свойств поверхностных слоев режущих инструментов, изготовленных из традиционных материалов. Такой подход основан на том, что при самых разнообразных условиях работы инструмента во всех случаях наиболее нагруженным оказывается его поверхностный слой и, в первую очередь, именно его свойства определяют работоспособность инструмента в процессе механической обработки.

Практическая реализация описанного подхода достигается применением различных методов поверхностной упрочняющей обработки – нанесением покрытий (химическими, физическими и другими способами) и модификацией свойств поверхности и поверхностного слоя инструмента (химико-термической, деформационной обработкой и другими способами). Их применение позволяет существенно увеличить время до смены инструмента и решить основные задачи современного металлообрабатывающего производства – снижение себестоимости обработки с повышением точности и качества обрабатываемых деталей.

Современные инструментальные материалы: учебное пособие. / С.Н. Григорьев, В.А. Гречишников, А.Р. Маслов, А.Г. Схиртладзе. - М.: Издательский центр МГТУ«Станкин», 2011.-104 с.: ил.

Порошковые твёрдые сплавы являются инструментальными материалами, состоящими из высокотвёрдых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала и цементирующего металла – кобальта, выполняющего роль связки. В качестве связующего материала в ряде сплавов используется также никель с молибденом. Твёрдые сплавы изготавливают методами порошковой металлургии.

Из имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия занимает особое место, так как позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно или невозможно. У таких материалов можно получить уникальные свойства, а в ряде случаев существенно повысить экономические показатели производства. При этом способе в большинстве случаев коэффициент использования материала составляет около 100%.

Порошковая металлургия находит широчайшее применение для различных условий работы деталей изделий. Методами порошковой металлургии изготовляют изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлом трения приборов и машин (втулки, вкладыши, опорные шайбы и т.д.), конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.), фрикционные детали (диски, колодки и др.), инструментальные материалы (резцы, пластины резцов, сверла и др.), электротехнические детали (контакты, магниты, ферриты, электрощетки и др.) для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные и др.) материалы.

Основные преимущества использования порошковой металлургии:

- снижает затраты на дальнейшую механическую обработку, которая может быть исключена или существенно уменьшена. Получает готовое изделие точное по форме и размерам. Обеспечивает высокое качество поверхности изделия.

- использует энерго и ресурсосберегающие технологии. Уменьшает количество операций в технологической цепи изготовления продукта. Использует более чем 97% стартового сырья. Реализует многие последующие сборочные этапы ещё на стадии спекания.

- позволяет получать изделия с уникальными свойствами, используя многокомпонентные смеси, объединяя металлические и не металлические компоненты. Изделия различной пористости (фильтры) с регулируемой проницаемостью; Подшипники скольжения с эффектом самосмазывания.

- получает более высокие экономические, технические и эксплуатационные характеристики изделий по сравнению с традиционными технологиями.

- упрощает зачастую изготовление изделий сложной формы.

- обеспечивает прецизионное производство. Соответствие размеров в серии изделий.

Режущий керамический инструмент характеризуется высокой твёрдостью, в том числе при нагреве, высокой износотсойкостью, химической инертностью к большинству металлов в процессе резания. При изготовлении режущего инструмента используется керамика на основе оксида алюминия с добавками диоксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также на основе бескислородных соединений – кубический нитрид бора β-BN и нитрид кремния Si3N4.

В обеспечении прочности иэксплуатационных характеристик изделия ведущая роль принадлежит свойствам его поверхности. Получение поверхности с высокими функциональными параметрами требует, как правило, дополнительной обработки с использованием комбинированного энергетического и физико-химического воздействия.

Улучшение свойств поверхностного слоя достигается поверхностной термической обработкой (закалкой ТВЧ), ХТО, лазерным термоупрочнением и наплавкой, плазменным термоупрочнением и наплавкой, ХТО с лазерным воздействием или с последующей лазерной или плазменной закалкой, нанесением тонких плёнок.

Это позволяет повысить стойкость инструментов в 1,5-3 раза и более при следующих условиях:

1. видоизменённый слой прочно связан с матричным металлом и имеет более высокую твёрдость, теплостойкость, коррозионную стойкость, лучшие антифрикционные свойства, чем подложка.

2. учитывается характер износа, переточки и сечение инструментов

3. учитывается вид действующих нагрузок (статические, динамические, знакопеременные.

Обработка целесобразна для инструментов, сохранящих улучшенный слой после преточки полностью (резьбовые, червячные фрезы, долбяки, протяжки, фасонные резцы, метчики и другие) ии частично (свёрла, зенкеры, многие виды штампов).

Не следует применять традиционную ХТО для повышения твёрдости поверхности инструментов небльшого диаметра (до 5 мм) или с очень тонкой кромкой, чтобы не вызвать излишней хрупкости.

Повышение стойкости таких инструментов, например, свёрл, достигается, если карбонитрированный или другой упрочнённый слой создаётся только на главных гранях инструмента. Для этого до поведения насыщения на инструмент наносят защитный слой цинкового, а затем медногальванического покрытия (толщиной по 0,01 мм каждого), снимаего с режущих граней перед упрочняющей обработкой.

Выбор способа упрочнения поверхности обусловлен не только требованиями, предъявляемыми к поверхностному слою, но и температурой, при котрой выполняется эта обработка, и теплостойкостью инсрументальной стали.

Перечислим основные виды ХТО:

- азотирование (традиционное и ионное),

- нитроцементация (в том числе вакуумная),

- сульфоазотирование

- оксидирование

- хромофосфатирование

- цементация

- борирование

- хромирование

К перспективным процессам упрочнения относятся плазменные технологии, которые могут производиться по двум направлениям:

1. получение необходимой структуры и свойств поверхности плазменной закалкой ПЗ (без изменения состава материала)

2. создание поверхностного слоя с новым химическим составом и структурой, отличающейся от материала основы.

Сущность ПЗ состоит в высокоскоростном нагреве потоком плазмы поверхностного слоя металла и быстром его охлаждении в результате передачи тепла в глубинные слои материала детали. Толщина упрочнённого слоя около 2 мм, средняя ширина закалённой зоны 6-12 мм. Плазменной закалке подвергаются многие материалы: инструментальные стали, твёрдые сплавы, стали после ХТО.

Для получения плазменных порошковых покрытий используются три основные технологии:

1. плазменно-дуговая наплавка (ПДН) – нанесение покрытий из расплавленного порошкового материала на металлическую поверхность слоями толщиной 1-4 мм, шириной наплавляемого валика до 10 мм, источник нагрева – сжатая (плазменная дуга), горящая между электродом плазмотрона и изделием;

2. плазменное напыление (ПН) – нанесение покрытий толщиной до 1 мм из отдельных частиц порошкового материала (металлические, керамические, композитные порошки), нагретого и ускоренного с помощью высокотемпературной плазменной струи, горящей между катодом и анодом плазмотрона, диаметр пятна напыления 10-25 мм;

3. совмещённый процесс наплавки и напыления (СПНН) – покрытие толщиной 0,5-4 мм, одновременно используется плазменная струя (способствует расплавлению и направленному движению порошка) и сжатая дуга (способствует высококачественному сцеплению и уплотнению покрытия).

Такие покрытия могут быть использованы при изготовлении:

- вырубных штампов х.д. с использованием основы из конструкционной стали, а режущих кромок – из нанесённого покрытия (ПДН, СПНН)

- режущего иснтрумента из конструкционных сталей с наплавкой на рабочие поверхности быстрорежущих составов (СПНН)

- вытяжных, формовочных и гибочных штампов с износостойким покрытием (исключение – детали с ударно-абразивным изнашиванием), имеющих высокий коэффициент трения и обеспечивающих адгезию и лёгкий съём изделия

- гравюр штампов г.д. путём нанесения износостойкого и жаропрочного покрытия.

Режущий инструмент с амазным и алмазоподобным покрытием. Обладает минимальным абразивным износом, качество поверехности соотвтетсует свойствам синтетических алмазов. Позволяет не использовать СОЖ. Наиболее распространены методы CVD – газофазное осаждение с применением термической и химической активации газовой среды, а также создание на ней плазмы электрического разряда, распыление мишеней с использованием ионных пушек или лазерного облучения. Рабочая среда – смеси, содержащиех углеводородные соединения, водород, кислород, азот, галогены, и их соединения. Смеси подаются в рабочую камеру под давлением 10-400 Мбар (1МБр – 10⁵Па), температура подложки 400-1000 ^ОС. Структура плёнки – смесь поликристаличсеких алмазных областей с прослойками алмазоподобной фазы или аморфного углерода. Толщина покрыия 1,5 – 20 мкм.

Лазерное термоупрочнение сталей и сплавов включает такие методы:

- лазерная закалка с оплавлением поверхности,

- лазерная закалка без оплавления поверхности: углеродистых и легированых сталей и сплавов, штампов прессов для холодной штамоповки, изготовленных из половинчатого чугуна,

- комплексное лазерное и криогеное уппочнение

- лазерное легирование с использованием традиционных методов ХТО

- лазерная обработка покрытий, полученных методами химического или физического осаждения

- комплексные виды обработки (вакуумная закалка или вакуумная нитроцементация с последующей лазерной обработкой)

- лазерная наплавка,

Аэротермоакустическая обработка (АТАО) включает использование возможности управления характеристиками металлов и сплавов (твёрдостью, износостойкостью, пластичностью, хладостойкостью, коррозионной стойкостью) с помощью их структурных и фазовых изменений, которые протекают в металлах под воздействием мощных акустических полей. АТАО иснтрументальных материалов является комбинированным средством воздействия на материалы. При её проведении осуществляется воздействие температурных и акустических полей с целью формирования требуемых свойств как во всём объёме металла, так и в поверхностном слое. Основным технологическим оборудованием являются электропечи (мощностью 4-5 кВт) и газоструйные генераторы звука (динамические сирены и статические сирены (свистки).

Основные операции в технологии АТАО: нагрев деталей (заготовок), до требуемых температур и последующее охлаждение, включая криогенное воздействие, в мощном акустическом поле звукового диапазона дискретных частот с уровнем звукового давления 150-170дБ в потоке газа.

В промышленных уловиях возможны следующие варианты технологических процессов, использующие операции стандартной ТО и АТАО:

- нагрев под закалку с последующим охлаждением в акустическом поле + стандартный отпуск,

- стандартаная закалка+нагрев для отпуска с последующим охлажденим в акустическом поле,

- полная СТО, нагрев для отпуска споследующим охлаждением в акустическом поле.

Дата добавления: 2014-05-20; просмотров: 1027; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!