Методическое пособие по проведению практического занятия "Выбор инструментального материала при обработке металлов"
учебно-методическое пособие

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ И ПРОВЕДЕНИЮ  ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ ПО ТЕМЕ:

«Выбор марки инструментального материала при различных методах обработки»

Закрепление знаний:

1. Для профессии «Сварщик ручной дуговой сварки плавящимся покрытым электродом»:

З26 Назначение и основные свойства материалов, применяемых при выполнении работ по профессии.

Формирование умений:

У18        Определять группы и марки материалов, свариваемых РД.

Цель занятия: Научиться выбирать марки инструментального материала при различных методах обработки.

Оснащение: Методические указания по ПЗ.

Продолжительность: 90 мин.

Время выполнения практического задания 90 минут

Порядок выполнения заданий:

1. Вспомните изученный теоретический материал по данной теме;

2. Внимательно прочитайте задание;

3. Выполните задание;

4. Ответьте на контрольные вопросы;

Оформите отчет.

Требования к отчету:

1. Тематика практического задания;
2. Цель работы;
3. Вывод.

Теоретическая часть

Ход выполнения практического задания.

«Выбор марки инструментального материала при различных методах обработки»

Цель:

• закрепление знаний о свойствах сталей  
• формирование умений определять характеристику сталей по маркировке

Задача:

• По маркировке конструкционных углеродистых сталей определить марку и химический состав, механические свойства и назначение
• По маркировке легированных сталей определить марку и химический состав, механические свойства и назначение
• Полученные данные свести в таблицу

Методические указания для выполнения задания

Инструментальные материалы предназначены для изготовления инструментов, применяемых в процессе металлообработки, а также
для измерений. Эти материалы подразделяются на инструментальные стали, твердые сплавы и особо-твердые материалы.

По назначению инструментальные материалы классифицируются
на материалы для режущего, штампового и измерительного инструментов.

Режущая способность инструмента для токарных работ определяется физико-механическими свойствами материала, из которого он изготовлен.
К основным свойствам, определяющим работоспособность инструмента, относятся твердость, теплостойкость, износостойкость, теплопроводность
и адгезионная способность.

Твердость материала, из которого изготовлен инструмент, должна превышать твердость обрабатываемого материала. В связи с тем, что
на рабочую часть инструмента действуют значительные силы резания, создающие деформации изгиба, инструментальный материал должен обладать прочностью. На твердость и прочность инструментального материала существенное влияние оказывает соотношение легирующих компонентов
и углерода, входящих в их состав в виде карбидов. С увеличением количества карбидов и уменьшением их зернистости твердость и износостойкость инструмента повышается, а прочность понижается.

Теплостойкость инструмента определяется температурой, выше которой снижается твердость и возрастает износ.

Износостойкость инструмента характеризуется сопротивляемостью инструмента истиранию под действием сил трения, возникающих в процессах резания.

Теплопроводность инструмента определяется способностью
его отводить возникающее в процессах резания тепло от режущих граней инструмента. Чем выше теплопроводность, тем лучше отводится тепло
от режущих кромок, благодаря чему повышается стойкость инструмента.

Адгезионная способность инструментального и обрабатываемого материала характеризуется температурой, при которой происходит налипание обрабатываемого материала на режущие грани инструмента. Она зависит
от молекулярных сил, развивающихся при высоких температурах и давлениях в точках контакта режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью. Чем выше температура налипания обрабатываемого материала на инструмент, тем качественней должен быть материал, из которого инструмент изготовлен.

Факторы, определяющие выбор инструмента для токарной обработки

Определяющими факторами при выборе инструмента и оптимизации операций точения являются:

1. Форма детали и требования по точности и чистоте обработки определяют траекторию движения инструмента и последовательность переходов
   при выполнении различных операций. Точность и требуемая шероховатость обработанной поверхности влияют на выбор геометрии режущей пластины, величины подачи и скорости резания.
2. Тип выполняемой операции: черновое, получистовое или чистовое точение, нарезание резьбы, обработка канавок, отрезка и т.п. Тип выполняемой операции влияет на выбор режущей пластины, резца, параметров режима резания, обеспечивающих требования, предъявляемые к обработке.
3. Наружная обработка или расточка отверстий – данные операции выполняются различными твердосплавными пластинами и резцами. Револьверные головки токарного станка имеют ограниченное количество позиций для размещения инструмента, и, при большом числе выполняемых переходов возникает необходимость в подборе такого инструмента, который был бы способен выполнять более чем один переход.
4. Жесткость системы и условия обработки – основные факторы, определяющие производительность операции и выбор инструмента.
   При прерывистом резании повышенные требования предъявляются
   к геометрии пластины, марке твердого сплава и закреплению режущей пластины на корпусе державки. Если наблюдается склонность к вибрациям, то большое внимание следует уделять размеру и вылету инструмента,
   а также жесткости закрепления как инструмента, так и заготовки.
5. Станки в значительной степени отличаются по конструкции, размерам, мощности и технологическим возможностям. Многие токарные станки имеют небольшую мощность и могут производить только определенные виды обработки, используя определенный тип инструмента. Необходимо знать способ закрепления инструмента, посадочные размеры и количество позиций револьверной головки (инструментального магазина).
6. Материал заготовки представлен основными группами обрабатываемых материалов по ISO. При обработке они образуют, соответственно, сливную стружку, стружку скалывания или элементную стружку, что является важным фактором, который надо учитывать для правильного выбора инструмента:

• углеродистая и легированная сталь (Р)
• нержавеющая сталь (М)
• чугун (К)

7. Экономическая эффективность и производительность – важнейшие факторы при выборе инструмента. Доля расходов на инструмент в общей себестоимости обработки составляет всего несколько процентов, однако влияние инструмента на производительность, надежность, простои оборудования, качество обработки значительно больше и от выбора инструмента, в основном, зависят эти показатели. На них влияют также размер партии и повторяемость обработки изделий.
8. Номенклатура инструмента, которая уже применяется в производстве, влияет на выбор нового инструмента, т.к. обычно ее стараются
   не увеличивать. Широкая номенклатура стандартного инструмента
   и возможность изготовления специальных конструкций в значительной степени влияют на уровень оптимизации операции.

Стали и сплавы для режущего инструмента

Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта
и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурация и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью (60–62 HRCЭ) и износостойкостью — способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Вместе с тем, режущий инструмент должен обладать высокой прочностью и достаточной вязкостью, чтобы сохранять форму режущей кромки и сопротивляться разрушению при изгибающем (резцы) и крутящем (сверла) моментах и динамических нагрузках.

В процессе резания происходит нагрев режущей кромки инструмента. Поэтому основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость (красностойкость) — способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы.

По теплостойкости применяемые материалы подразделяются на:

•        углеродистые и низколегированные стали с теплостойкостью до 200 °С (нетеплостойкие);

•        среднелегированные стали с теплостойкостью до 400–500 °С (полу теплостойкие);

•        высоколегированные быстрорежущие стали с теплостойкостью до 600–640 °С (теплостойкие);

•        твердые сплавы с теплостойкостью до 800–1000 °С;

•        особо твёрдые материалы с теплостойкостью до 1200 °С.

Углеродистые стали

Инструментальные углеродистые стали в соответствии с ГОСТ 1435–90 маркируют буквой «У» и числом, указывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента применяют качественные стали марок У7–У13 и высококачественные стали марок У7А–У13А, химический состав которых приведен в табл. 6.1.

Марки и химический состав инструментальныхуглеродистых сталей

По механическим свойствам и назначению углеродистые стали подразделяются на:

стали повышенной вязкости (У7–У9) для изготовления инструмента
с высокой режущей способностью, подвергающегося ударным нагрузкам (зубила, кернеры и т. д.);

стали высокой твердости (У10–У13) для изготовления режущего инструмента, не подвергающегося ударным нагрузкам (напильники, шаберы
и т. д.).

Области применения углеродистых сталей указаны в табл.

Примерное назначение инструментальной углеродистой стали

Легированные инструментальные стали — это такие, в состав которых с целью повышения физико-механических свойств вводятся специальные примеси (легирующие элементы).

При введении хрома, молибдена, вольфрама, ванадия, титана и марганца твердость стали повышается, так как они образуют с углеродом простые
или сложные соединения (карбиды), которые обладают высокой твердостью (особенно карбиды вольфрама и ванадия). При этом у стали сохраняется достаточная вязкость. Никель, кобальт, алюминий, медь и кремний, растворяясь в железе, упрочняют сталь.

При соответствующей термообработке инструмент имеет твердость HRC 62—64 и сохраняет ее при нагреве до температуры 250—300°С. Зенкера, развертки, метчики, протяжки изготовляют из сталей марок 9ХС, ХВГ и ХВ5.

Быстрорежущие инструментальные стали.

Быстрорежущие инструментальные стали — это легированные стали
со значительным содержанием вольфрама, кобальта, ванадия и молибдена. Они сохраняют полученную после термообработки твердость HRС 62 – 64 при нагреве до температуры 600°, а некоторые марки комплексно легированных сталей сохраняют свою твердость даже при нагреве до температуры 700—720°С.

Эти качества быстрорежущих сталей позволяют увеличивать в процессе обработки скорости резания в два-три раза по сравнению с инструментом, изготовленным из углеродистой и обычной легированной инструментальной стали.

Все марки быстрорежущей стали обозначаются буквой Р (Р9, Р12, Р18), число, проставленное после буквы Р, показывает среднее процентное содержание вольфрама в этой стали.

Широкое применение имеют быстрорежущие стали, содержащие 3—5% молибдена (Р6М3, Р6М5). Эти стали по прочности превосходят сталь Р18, хотя имеют несколько меньшую теплостойкость. Их обычно применяют
для инструментов, работающих в условиях тяжелых силовых режимов.

При обработке легированных, жаропрочных и нержавеющих сплавов
и сталей эффективно применение быстрорежущих сталей повышенной производительности, в состав которых входит ванадий и кобальт (Р10КФ5, Р18К5Ф2), или комплексно-легированных сталей (марки Р18МЗК25, Р18М7К25 и Р10М5К25). При наличии в стали10% и более кобальта твердость ее после термообработки составляет 67—68 и сохраняется до температуры нагрева 640 – 720°С.

Быстрорежущие инструментальные стали применяются
для изготовления резцов, сверл, зенкеров, разверток, метчиков, плашек
и другого инструмента.

Твердые сплавы.

Твердые сплавы состоят из карбидов тугоплавких металлов, которые равномерно распределены в кобальтовой связке. Их изготовляют методом прессования и спекания. Твердые сплавы имеют высокие показатели плотности и твердости, которая не снижается даже при нагреве до 800— 900°С. По составу твердые сплавы разделяются на три группы:

•        вольфрамовые;

•        титановольфрамовые;

•        титано - тантало-вольфрамовые.

Основными марками твердого сплава вольфрамовой группы, применяемыми для изготовления режущего инструмента являются ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВК4М, ВК6 ВК6М ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10. В обозначении марки твердого сплава этой группы буква В обозначает группу, буква
К и число, следующее за ней — процентное содержание кобальта, являющегося связывающим металлом. Буква М обозначает, что структура сплава мелкозернистая, а буква В — что она крупнозернистая.

Твердые сплавы титановольфрамовой группы.

Твердые сплавы титановольфрамовой группы состоят из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана, избыточных зерен карбида вольфрама и кобальта, являющегося связкой. Основными марками сплава этой группы являются Т5К10, Т5К12, Т14К8, Т15К6. В обозначении сплавов этой группы число после буквы Т показывает процентное содержание карбида титана, а число после буквы К — содержание кобальта в процентах. Остальное в сплаве — карбиды вольфрама.

Твердые сплавы титанотанталовольфрамовой группы.

Твердые сплавы титанотанталовольфрамовой группы состоят из зерен карбидов титана, тантала, вольфрама и связки, в качестве которой также использован кобальт. Марками этой группы сплавов являются ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8Б и ТТ20К9. В обозначении этой группы сплавов число после букв ТТ показывает содержание карбидов титана и тантала, а число после буквы
К — содержание кобальта в процентах.

В зависимости от содержания карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала и кобальта твердые сплавы имеют различные свойства.
Чем больше кобальта, тем сплав более вязок и лучше сопротивляется ударной нагрузке. Поэтому для изготовления инструментов, которыми выполняют обдирочные работы, используют сплавы с большим содержанием кобальта. При обработке стали применяют твердые сплавы, содержащие карбид титана, так как на инструмент из этих сплавов стальная стружка меньше налипает.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы.

Согласно ГОСТ 3882 – 74 твердые сплавы группы
ВК (вольфрамокобальтовые) рекомендуются для обработки хрупких материалов (чугун, бронза). Сплавы группы
ТК (титано – вольфрам - кобальтовые) рекомендуются для обработки вязких материалов (сталь, латунь). Сплавы титанотанталовольфрамовой группы применяются при неблагоприятных условиях работы инструмента с ударными нагрузками, при обработке стальных отливок и поковок.

Минералокерамические материалы.

Минералокерамические материалы для режущего инструмента изготавливают в виде пластинок из окиси алюминия Al2O3 (глинозема) методом прессования под большим давлением с последующим спеканием. Они имеют высокую твердость, температуростойкость (до 1200°С), износостойкость и достаточную прочность на сжатие. К недостаткам этих материалов относится большая хрупкость и малая ударная вязкость. Инструменты, оснащенные минералокерамикой, обычно используются при чистовой обработке при точении с постоянной нагрузкой и в случае отсутствия вибрации.

Синтетические материалы.

 Синтетический алмаз характеризуется высокими твердостью
и износостойкостью, химически мало активен. Имеет небольшой коэффициент трения и слабую склонность к налипанию стружек обрабатываемого материала. Недостатки алмаза его хрупкость и сравнительно низкая температурная стойкость (далее – температуростойкость) (750—850°). Алмазные резцы применяют для финишной обработки цветных металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Кубический нитрид бора (КНБ) — синтетический сверхтвердый материал (эльбор, кубанит, гексанит) состоящий из соединений бора и азота. Твердость его несколько ниже твердости алмаза, но температуростойкость значительно выше (1200 – 1300°С). Он химически инертен к материалам, содержащим углерод, поэтому при обработке сталей и чугунов
его износостойкость значительно выше износостойкости алмазов. Вставками из КНБ оснащаются токарные резцы дляобработки закаленной стали
и высокопрочных чугунов.

Контрольные вопросы для подготовки к выполнению практического задания

1. Где применяются углеродистые инструментальные стали?
2. Назовите требования к свойствам инструментальных материалов
3. Дайте характеристику быстрорежущих сталей.
4. Дайте краткую характеристику минералокерамических материалов.
5. Перечислите области применения твердых сплавов  
6. Назовите область применения режущей керамики
7. Назовите область применения сверхтвердых материалов

Основная часть практической работы

Материалы для слесарного инструмента