Мои методические разработки
методическая разработка по теме

Практическая работа №1

Тема: «Выбор марки инструментального материала для разных условий обработки»

Цель работы:

1. Изучение классификации, состава, маркировки и области применения инструментальных материалов.
2. Умение работать со справочной литературой по выбору марок стали и сплавов в зависимости от условий их работы.
3. Умение расшифровывать марки инструментальных материалов.

Задание:

1. Изучить классификацию, состав, маркировку и область применения инструментальных материалов.
2. Выполнить индивидуальное задание согласно номеру варианта из таблицы 1.1 методических указаний.

Таблица 1.1 – Варианты индивидуальных заданий

1. Изучить условия работы заданной детали и требования, предъявляемые к ней.
2. Выбрать марку материала для изготовления детали или инструмента, изучить ее состав и механические свойства.
3. Дать обоснование выбора марки материала детали.

3. Ответить на контрольные вопросы:

1. Как маркируются инструментальные стали в общем?
2. Как маркируются быстрорежущие стали?
3. Как маркируются металлокерамические твердые сплавы?
4. Как маркируются минеральная режущая керамика?
5. Как маркируются сверхтвердые инструментальные материалы?

Порядок выполнения практической работы:

1. Изучить теоретическую часть по теме практической работы №1.
2. Выполнить индивидуальное задание согласно номеру варианта из таблицы 1 методических указаний с помощью методического материала.
3. Ответить на контрольные вопросы.
4. Отчёт предоставить в форме, согласно требованиям преподавателя.

Содержание отчета

1. Тема и цель практической работы.
2. Формулировка задания из таблицы 1.1 методических указаний и его выполнение.
3. Ответы на контрольные вопросы.

Время выполнения: 2 часа.

Материально-техническое оснащение:

• Методические рекомендации по выполнению практической работы.
• Рекомендуемые источники:

1. ГОСТ 19265-73 Прутки и полосы из быстрорежущей стали.
2. http://portal.tpu.ru/Textbook_Material_Cutting_Kirsanov_rus.pdf

(электронный учебник «Резание материалов» под ред. проф., д-ра техн. наук С.В. Кирсанова).

Теоретическая часть

Инструментальные материалы, используемые для изготовления режущих инструментов, должны удовлетворять следующим основным требованиям:

• высокая твердость, более чем в 3÷4 раза превышающая твердость обрабатываемого материала;
• высокая теплостойкость - способность сохранять необходимую твердость до определенной температуры;
• высокая износостойкость при повышенной температуре - сопротивляемость износу режущего клина;
• высокие прочность и формоустойчивость режущего клина.

Инструментальные материалы условно можно разделить на следующие группы:

1. - инструментальные стали;
2. - быстрорежущие стали;
3. - металлокерамические твердые сплавы;
4. - сверхтвердые материалы (СТМ);
5. - абразивные материалы.

Инструментальные стали - это углеродистые и низколегированные стали. Углеродистые стали(C=0,7÷1,3%) обозначаются буквой У и цифрой - от У7 до У13, где буква У означает «углеродистые», а цифра - десятые доли процента углерода. У высококачественных высокоуглеродистых сталей, содержащих мало примесей, в конце обозначения ставится буква А, например, У13А.

Углеродистые инструментальные стали обладают низкой стоимостью и высокой технологичностью, а также высокими прочностью и износостойкостью.

Главным недостатком высокоуглеродистых сталей является их низкая теплостойкость, равная200÷250°С. В этой связи стали У7и У8 применяют в основном для изготовления слесарных инструментов, а стали У10÷У12 –для изготовления режущих инструментов, работающих на низких скоростях резания и ручной подаче.

Для улучшения технологических и режущих свойств углеродистых сталей в них вводят в небольших количествах (1÷3%) легирующие элементы(хром, кремний, марганец, вольфрам, молибден, ванадий и др.).

В настоящее время из таких низколегированных инструментальных сталей наибольшее применение получили:

1. Сталь ХВГ – применяется для изготовления длинномерных инструментов, требующих минимального коробления при термообработке (протяжки, развертки, метчики и др.);
2. сталь 9ХС – применяется для изготовления ручных инструментов (развертки, плашки, фрезы и сверла);
3. сталь Х6ВФ – применяется для изготовления резьбонакатных инструментов.

Быстрорежущие стали(ГОСТ 19265-73) обладают высокой степенью легированности вольфрамом, молибденом, хромом и ванадием. Легирующие элементы  углерод придают быстрорежущим сталям высокую теплостойкость (до 620°С),твердость, прочность на изгиб. Скорость резания инструментами из быстрорежущих сталей в 4÷6 раз выше скорости резания инструментами из инструментальных сталей.

Быстрорежущие стали широко применяются для изготовления сложнофасонных инструментов (сверла, фрезы, резьбонарезные и зуборезные инструменты).

Из стандартных отечественных быстрорежущих сталей наилучшими эксплуатационными свойствами обладает сталь марки Р18, имеющая следующий химический состав: С=0,7÷0,8%, W=17÷18,5%, Cr=3,8÷4,4%, V=1,0÷1,4%, Mo=1%.

К недостаткам этой стали относятся высокое содержание дефицитного вольфрама и несколько заниженная прочность на изгиб.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом наибольшее применение получила быстрорежущая сталь маркиР6М5 (С= 0,80÷0,88%, W= 5,5÷6,5%, Cr = 3,8÷4,4%, V = 1,7÷2,0%, Mo = 5,0÷5,5%), имеющая близкую к сталиР18 теплостойкость, но несколько худшие эксплуатационные и повышенные технологические свойства.

Из быстрорежущих сталей выделяется группа сталей повышенной теплостойкости, имеющих повышенное содержание ванадия (стали марок Р6М5Ф3, Р12Ф3) и кобальта (стали марок Р6М5К5, Р9К10, Р9М4К8, Р18К5Ф2). Стали повышенной теплостойкости используют для резания труднообрабатываемых материалов, так как благодаря повышенному содержанию кобальта они отличаются высокими износо- и теплостойкостью (до 640°С), а также твердостью (до HRCЭ65).

К технологическим недостаткам этих сталей относятся худшая шлифуемость, вызванная повышенным содержанием ванадия, и пониженная прочность на изгиб (до σи =2000 МПа), вызванная введением кобальта, а также их высокая стоимость. При маркировке быстрорежущих сталей повышенной теплостойкости содержание углерода (С= 0,85÷1,2%) и хрома (Cr = 3,1÷4,4%)не указывают. После буквы Р (Rapid – быстрый) следует процентное содержание вольфрама, а после букв М –молибдена, Ф – ванадия и К –кобальта.

Металлокерамические твердые сплавы - это композиции из порошков тугоплавких соединений: карбидов вольфрама, титана, тантала и др., спеченных со связкой, чаще всего из кобальта, при высоких температурах в вакууме или защитной атмосфере по технологии, напоминающей изготовление изделий из минеральной керамики. Отсюда и произошло название сплавов –металлокерамические.

Несмотря на высокую стоимость, применяемость инструментов, оснащенных твердосплавными пластинами(в том числе с покрытиями), в настоящее время составляет примерно 55%, а количество стружки, снимаемой этими инструментами, достигает50÷60% от всего объема снимаемой стружки. Благодаря высоким теплостойкости (800÷1000°С), твердости (HRА87÷91) и износостойкости скорость резания твердосплавными инструментами в 4÷5 раз выше скоростей резания, достигаемых быстрорежущими инструментами. Однако по прочности на изгиб, которая составляет σи = 900÷1600 МПа, твердые сплавы существенно (в 2÷3 раза) уступают быстрорежущим сталям.

Твердые сплавы, применяемые для оснащения металлорежущих инструментов, по составу и областям применения условно делят на четыре основные группы:

1. однокарбидные вольфрамокобальтовые (ВК);
2. двухкарбидные титановольфрамовые (ТК);
3. трехкарбидные титанотанталовольфрамовые (ТТК);
4. безвольфрамовые на основе карбида и карбонитрида титана.

Группа однокарбидных твердых сплавов содержит четыре основные марки: ВК3, ВК6, ВК8, ВК10. Здесь в обозначении цифрой указано процентное содержание кобальтовой связки, а остальное составляет карбид вольфрама. При этом, чем выше содержание кобальта, тем прочнее сплав, но ниже его тепло- и износостойкость. Однокарбидные твердые сплавы, благодаря хорошим прочностным свойствам, используют в основном для обработки хрупких металлов типа чугунов, высоколегированных сталей и титановых сплавов. Для чистовой обработки применяют сплавы марок ВК3 и ВК6.

Для улучшения износостойкости и прочности твердых сплавов уменьшают размеры зерен карбидов - от мелкозернистых, обозначаемых буквой М, до особо мелкозернистых, обозначаемых буквами ОМ. К таким сплавам, получившим наибольшее применение в инструментальном производстве, относятся твердые сплавы марок ВК3М, ВК6М и ВК6ОМ, ВК10М, теплостойкость которых составляет 800...850°С.

Для обработки сталей и других материалов (кроме титановых сплавов), образующих при резании сливную стружку, применяют двухкарбидные твердые сплавы марок Т30К4, Т14К8, Т15К6, Т5К10. Здесь в обозначении цифра, стоящая после буквы Т, показывает процентное содержание карбида титана, после буквы К – кобальта, а остальное –карбида вольфрама.

Для чистовой обработки применяют твердые сплавы марок Т30К4 и Т15К6, для получистовой и черновой, а также для прерывистой обработки и обработки с ударами – твердые сплавы марок Т14К8 и Т5К10. Теплостойкость этих твердых сплавов составляет 850÷950°С.

Еще большие теплостойкость (до 1000°С), прочность и стойкость при ударных нагрузках показали трехкарбидные твердые сплавы, содержащие кроме карбидов титана еще и карбиды тантала. Так как вольфрам, титан и тантал образуют сложный карбид, то при маркировке таких твердых сплавов цифра, стоящая после буквы Т, указывает суммарное процентное содержание карбидов титана и тантала, после буквы К – кобальта, а остальное – карбида вольфрама. Из трехкарбидных твердых сплавов наибольшее применение получили сплавы марок ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9, обладающие наибольшей прочностью. Поэтому их используют при строгании, фрезеровании и при обработке высоколегированных сталей и сплавов.

Минеральная режущая керамика в своей основе имеет оксид алюминия Al2O3 и получается путем плавления глинозема (бокситов) в электрических печах. Это так называемая оксидная или белая (по цвету) керамика, например марки ЦМ332, ВО-100.Она имеет очень высокие теплостойкость (до 1400÷1500°С) и твердость (HRA90÷92), бóльшую, чем у твердых сплавов, что позволяет обрабатывать ею металлы со скоростью 300÷600 м/мини более.

Основной недостаток минералокерамики - низкая прочность на изгиб (σи320 МПа). Для повышения прочности в состав минералокерамики вводят различные тугоплавкие соединения: карбиды и оксиды вольфрама, молибдена, титана и др. (марок В-3, ВОК-60, ВОК-63, ВОК-200, ТВИН-400 – черная керамика).

В последнее время созданы новые марки режущей керамики на основе нитрида кремния Si3N4, так называемая нитриднокремниевая (серая) керамика марок ТВИН-200, ОНТ-20, силинит Р, у которой прочность на изгиб увеличена до 800МПа. Это позволяет использовать ее не только при чистовом точении высокопрочных сталей и чугунов, но и при фрезеровании, для которого характерна ударнаянагрузка.

Сверхтвердые инструментальные материалы(СТМ) –это алмазы (природные и синтетические) и кубический нитрид бора (КНБ) - эльбор, кубанит, боразон.

Алмаз–самый твердый в природе материал (в 4÷5 раз тверже твердого сплава), имеет высокую теплопроводность и низкий коэффициент трения, малую прочность на изгиб (σи =210...480 МПа), низкую теплостойкость (800°С). При более высокой температуре алмаз окисляется и графитизируется до СО и С.

Алмаз весьма хрупок и это сильно снижает области его применения в металлообработке. Крупный недостаток алмаза заключается и в его химическом сродстве с железом. Поэтому кристаллы природного алмаза не применяют для обработки сталей, а используют только при тонком точении цветных металлов и сплавов на высоких скоростях резания.

Синтетические алмазы имеют малые размеры и в основном применяются для изготовления абразивных инструментов и композиционных материалов.

Кубический нитрид бора (КНБ) – это синтетический материал со сложной алмазоподобной кристаллической решеткой, не имеет природного аналога. Он изготавливается при высоких давлениях и температурах из так называемого «белого графита» - химического соединения бора и азота. По твердости эльбор близок к алмазу, но обладает более высокой теплостойкостью, доходящей до 1200°С.

Эльбор химически инертный материал и поэтому пригоден для обработки металлов самого разного состава. Благодаря высокой твердости и износостойкости его применяют для резания очень твердых материалов, закаленных сталей и даже твердых сплавов.

Эльборвыпускают в виде порошков, применяемых для изготовления абразивных инструментов и композиционных материалов, а также в виде поликристаллов - пластин диаметром4÷40мм, которые используются для оснащения резцов и фрез. Поликристаллы марок Композит 01, 02, 03, 05, 09, 10 (гексанит - Р) в зависимости от состава и технологии изготовления имеют прочность на изгиб σи = 470÷1200МПа.

Инструменты, оснащенные СТМ, успешно работают в основном на высокоточных и высокоскоростных станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах на чистовых операциях со скоростью резания, доходящей до 2000 м/мин, и обеспечивают высокое качество обработанной поверхности, благодаря чему исключается операция шлифования.