Обработка металлов резанием

Современная техника характеризуется массовым производством различных машин. Производство большого количества одинаковых машин требует такой технологии, которая обеспечивает точное воспроизведение деталей и их взаимозаменяемость. Массовое изготовление одинаковых деталей, воспроизведение их каждый раз с одной и той же точностью возможно только тогда, когда инструмент в течение длительного времени сохраняет свою форму и размеры, т. е. будет достаточно износостойким.

Металлокерамические твердые сплавы являются наиболее износостойкими из всех общедоступных и сравнительно недорогих материалов. По износостойкости они уступают только алмазам. Твердые сплавы многократно увеличили износостойкость инструмента, позволили изменить режимы обработки, значительно повысили производительность труда, улучшили качество изготовления деталей.

Особенно широко применяют твердые сплавы при резании металлов. Резание металлов — это процесс механической обработки металлов, при котором снимают стружку, чтобы придать изделиям заданную форму и размеры и обеспечить определенное качество обработанной поверхности. Резание металлов проводят на металлорежущих станках режущим инструментом. Металлорежущие инструменты должны обеспечивать:

- точность получения формы обрабатываемой детали;

- точность получения размеров;

- качество обрабатываемой поверхности;

- высокую производительность труда;

- большую износостойкость;

- прочность;

- технологичность конструкции;

- экономичность;

- низкую стоимость.

Металлорежущий инструмент подразделяется на следующие основные виды: резцы, фрезы, инструмент для обработки отверстий.

Резцы — наиболее распространенный инструмент. Их применяют при работе на многих видах станков (токарных, строгальных, долбежных и т. д.). В зависимости от оборудования их подразделяют на токарные, строгальные, долбежные и т. д. Кроме того, резцы делятся по виду обработки на проходные, отрезные и др.; по характеру обработки на черновые, чистовые, для тонкого точения; по сечению стержня на квадратные, круглые, прямоугольные; по конструкции головки на прямые, отогнутые, изогнутые, оттянутые и т. п.

Фрезы — также весьма распространенный и наиболее производительный инструмент. Никакой другой вид инструмента не обладает таким разнообразием форм, типов и назначений, как фреза. С помощью фрез можно вести обработку плоскостей, фасонных поверхностей и т. д.

Инструменты для обработки отверстий. Наиболее распространенные инструменты для этой цели — сверла, зенкеры, развертки.

Имеется также много типов, конструкций, форм и размеров этих инструментов. С помощью инструмента для обработки отверстий можно сверлить отверстия в сплошном материале, рассверливать уже имеющиеся отверстия, надсверливать конические углубления, изготавливать точные отверстия и т. д.

Кроме указанных видов инструментов, есть еще ряд таких групп, которые также играют большую роль в обработке металлов резанием. Сюда относятся протяжки и прошивки, инструменты для образования резьбы (метчики, плашки и т. д.), инструменты для производства зубчатых колес и абразивный инструмент.

Несмотря на большое разнообразие групп, форм и размеров инструментов, их индивидуальные и специфические особенности, у них имеется много общих геометрических и конструктивных элементов.

Конструктивно металлорежущий инструмент состоит из двух основных частей: рабочей, которая непосредственно соприкасается с обрабатываемой деталью и осуществляет процесс резания, и соединительной, с помощью которой инструмент закрепляют на станке. Металлокерамические твердые сплавы используют главным образом в качестве рабочей части инструмента.

Металлорежущий инструмент, оснащенный твердыми сплавами, отличается от инструмента из инструментальных сталей. Это отличие обусловлено специфическими физико-механическими и эксплуатационными свойствами твердых сплавов: высокой твердостью и износостойкостью, большой красностойкостью, чувствительностью к ударам, вибрациям и т. д.

К твердосплавному металлорежущему инструменту предъявляются следующие основные требования: достаточная жесткость конструкции; надежное крепление твердосплавного изделия в державке инструмента;

- применение механического крепления твердосплавных изделий к державкам;

- правильный выбор форм и размеров твердосплавных изделий;

- правильный выбор геометрических параметров рабочей части инструмента;

- технологичность конструкции, позволяющая применять эффективные методы обработки.

Необходимая жесткость конструкции твердосплавного инструмента достигается созданием державок максимально допустимых габаритных размеров и применением сталей с повышенной прочностью с последующей их термической обработкой.

Надежное крепление твердосплавных изделий обеспечивается выбором правильной конструкции державок для механического крепления изделий, для чего создают такие гнезда, в которых твердосплавное изделие под действием сил резания упирается в корпус инструмента.

Наиболее распространенный метод крепления пластин к соединительной части инструмента — напайка.

Твердосплавные пластины крепят с помощью припоев, флюсов и компенсационных прокладок. Припои, применяемые при напайке твердосплавных пластин, представлены в табл. 24.

Из табл. 24 видно, что выбор припоя определяется условиями работы инструмента и маркой твердого сплава. Температура плавления припоя должна быть приблизительно на 300 град выше температуры, возникающей в процессе резания. При работе припои сохраняют прочность и пластичность, жидкотекуч есть обеспечивает хорошую смачиваемость поверхностей, теплопроводность обеспечивает быстрый отвод тепла от пластинки твердого сплава в державку инструмента.

Флюс применяют для предохранения напаиваемых поверхностей от окисления и облегчения удаления окислов. Кроме того, он способствует смачиванию спаиваемых поверхностей и растеканию припоя. В табл. 25 представлены составы флюсов, рекомендуемые при напайке твердосплавных пластин.

С целью уменьшения термических напряжений при напайке тонких и длинных пластин, крупных пластин при работе с большими напряжениями, а также при напайке твердых сплавов с большим содержанием карбида титана (Т30К4) применяют компенсационные прокладки из малоуглеродистой стали или железоникелевого сплава (пермалоя). Эти прокладки улучшают качество спая, повышают прочность соединения и значительно уменьшают напряжения, возникающие при остывании инструмента после напайки.

Пластины твердого сплава напаивают на державки следующими способами:

1. Индукционным — токами высокой частоты (ТВЧ).

2. Контактным — на стыковых электросварочных аппаратах.

3. Печным — в пламенных и муфельных печах.

4. Газовым — ацетилено-кислороднон горелкой. Наиболее совершенный и надежный способ напайки

твердых сплавов — напайка токами высокой частоты. Независимо от способа напайки (источников нагрева) необходимо следить за правильным соблюдением режимов пайки. Особенно это касается нагрева и охлаждения инструмента, так как быстрые нагрев и охлаждение способствуют образованию трещин в пластинах твердого сплава,

В процессе изготовления твердосплавного инструмента опорные плоскости соединительных частей и твердосплавных пластин должны плотно прилегать одна к другой. Коробление может вызвать разрушение пластин в процессе резания (рис. 49). Форма и размеры гнезд под пластины твердого сплава в державках инструмента должны соответствовать форме и размерам самих пластин.

Однако метод напайки пластин твердого сплава к соединительной части инструмента имеет ряд недостатков, основной из которых заключается в том, что сталь, применяемая для изготовления соединительной части, и пластина твердого сплава обладают различными коэффициентами линейного расширения (температурный коэффициент линейного расширения у твердых сплавов примерно в 2 раза меньше, чем у углеродистой конструкционной стали).

При неравномерном охлаждении напаянного инструмента в пластинах твердого сплава в результате дополнительно возникших напряжений появляются трещины. Они снижают прочность пластин и способствуют их интенсивному выкрашиванию и разрушению во время работы.

Кроме того, велик и расход стали, идущей на изготовление соединительных частей инструмента (например, державок для резцов), и расходы по их изготовлению.

За последние годы в промышленности стали применять инструменты с механическим креплением пластин твердого сплава к соединительным частям инструмента (резцы, фрезы и др.). Для этой цели твердосплавной промышленностью освоено изготовление многогранных неперетачиваемых пластин.

На рис. 50 представлена схема конструкции резцов с механическим креплением многогранных твердосплавных пластин. Существуют также и другие конструкции инструмента с механическим креплением пластин.

Механическое крепление пластин имеет ряд преимуществ по сравнению с методом напайки: надежность в работе, компактность, удобство обслуживания, простота конструкции, долговечность державок, экономия в расходах на инструмент.

Главными факторами при резании являются режимы резания и геометрические параметры режущей части инструмента. При определении режимов резания учитывают требования к обрабатываемой детали по точности и чистоте обработки, жесткость системы и наиболее рациональное использование станка и режущего инструмента. При выборе режимов резания с заданными условиями обработки определяют глубину резания, число проходов, величину подачи и скорости резания при допустимых силах резания и мощности.

Геометрические параметры инструмента определяются формой режущей части инструмента и углами ее заточки. Геометрические параметры твердосплавного режущего инструмента зависят от условий обработки — характеристики обрабатываемого материала, вида обработки, ширины и толщины срезаемого слоя металла, скорости резания и характера износа инструмента. От правильного выбора этих параметров зависят производительность, режущая способность, качество обработки и срок службы инструмента.

В процессе резания рабочая часть инструмента подвергается ряду физических воздействий — трению об обрабатываемый материал, ударам и разогреву в результате трения. Чем выше способность твердого сплава противостоять этим воздействиям, тем больше стойкость инструмента.

Различные обрабатываемые материалы по-разному ведут себя в процессе резания. Так, например, при резании сталей образуется сливная, непрерывная стружка, которая постоянно трется о режущую часть инструмента, а при обработке чугуна и хрупких цветных металлов преобладает ударная нагрузка па инструмент, так как стружка хрупкая и все время скалывается. Поэтому при обработке стали большое значение имеют сопротивление износу режущей части инструмента и его работоспособность при высоких температурах. При обработке чугуна и хрупких цветных металлов режущая часть должна обладать высокой прочностью.

Рассмотренные выше три группы металлокерамических твердых сплавов отличаются физико-механическими свойствами и применяются в различных условиях резания. Так, например, сплавы вольфрамо-кобальтовой группы, обладающие более высокой прочностью, применяют в условиях ударных нагрузок. Этими сплавами обрабатывают чугун и хрупкие цветные металлы. Титановольфрамовыми сплавами обрабатывают стали с высокими скоростями резания, так как сплавы этой группы хорошо сопротивляются износу и обладают лучшими режущими свойствами при высоких температурах. Выделяющееся в процессе резания стали тепло сосредоточивается на режущей кромке инструмента и способствует размягчению стружки, что приводит к облегчению работы резца.

При обработке стали на малых скоростях резания, когда на режущей кромке нет высоких температур, успешно могут применяться некоторые вольфрамокобальтовые сплавы.

Лучшее сопротивление износу титановольфрамовых сплавов при обработке сталей по сравнению с вольфрамокобальтовыми, а следовательно, и меньшая склонность к образованию лунки на передней поверхности инструмента, которая в дальнейшем при давлении стружки приводит к выкрашиванию режущей части, объясняется меньшей слипаемостью и пониженной прочностью приваренных частиц обрабатываемого материала при резании стали титановольфрамовыми сплавами. В этом случае вольфрамокобальтовые сплавы подвержены более сильному износу. В результате налипания стружки в процессе резания получаются неровности контактных поверхностей, причем приваренная стружка отрывается от передней поверхности инструмента вместе с частицами твердого сплава, поэтому режущие кромки инструмента получаются с еще большими неровностями, что приводит к повышенному износу твердого сплава.

Применение твердых сплавов в обработке металлов резанием по сравнению с другими инструментальными материалами значительно повышает производительность вследствие увеличения скорости резания и стойкости инструмента. Кроме того, твердосплавным инструментом можно резать такие материалы, которые не поддаются обработке другим инструментом. За последние годы области применения твердых сплавов в обработке резанием значительно расширились. В настоящее время твердые сплавы начали широко использовать при резании пластмасс, стекла, дерева и других материалов.