К инструментальным материалам

Г л а в а 11. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

И ИХ РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Требования, предъявляемые

к инструментальным материалам

В современном механообрабатывающем производстве все более широкое применение находит дорогостоящее автоматизированное оборудование, управляемое от ЭВМ. Эксплуатация такого оборудо­вания характеризуется резким ростом стоимости станко–минуты, ужесточением условий эксплуатации режущего инструмента, увели­чением расхода инструментального материала и затрат на инстру­мент, составляющий в ряде случаев до 10–15% (а при многоинструментальных наладках на многошпиндельных станках, а также при применении дорогого инструмента – до 50%) расходов на механообработку. Таким образом, повышение режущих свойств инструмента при высокой вероятности его безотказной работы (высокой эксплуатационной надежности), интенсификация резания являются важнейшими резервами повышения эффективности автоматизированного механообрабатывающего производства.

При резании контактные площадки инструмента подвергаются интенсивному воздействию высоких контактных напряжений и температур, величины которых имеют переменный характер, а взаимодействие с обрабатываемым материалом и реагентами из окружающей среды приводит к проте­канию интенсивных физико-химических процессов: адгезии, диффу­зии, окисления и коррозии.

С учетом необходимости сопротивления контактных площадок режущего инструмента микро- и макроразрушению в указанных условиях, рассмотрим некоторые требования, предъявляемые к инструментальному материалу при резании различных обрабатывае­мых материалов.

Для того, чтобы режущий клин инструмента, не деформируясь, мог срезать слой обрабатываемого материала, твердость инстру­ментального материала HV_им должна значительно превосходить твердость обрабатываемого материала HV_ом. Поэтому одним из ос­новных требований, предъявляемых к инструментальному материа­лу, является его высокая твердость. Однако увеличение твердос­ти HV_им, как правило, приводит к увеличению хрупкости, снижению трещиностойкости и вязкости разрушения, поэтому в зависимости от условий обработки существует оптимальное отношение HV_им/HV_ом, обеспечивающее приемлемое соотношение твердости и прочности (вязкости) инструментального материала.

Высокие механические нагрузки на режущий клин инструмента требуют, чтобы инструментальный материал обладал достаточной механической прочностью. Режущий клин инструмента должен вы­держивать высокие напряжения без хрупкого разрушения и замет­ного пластического деформирования. Так как инструмент может работать в условиях знакопеременных (циклических) нагрузок (прерывистое резание, непрерывное резание с переменным припус­ком или твердыми включениями на поверхности заготовки и т.д.), то желательным требованием к инструментальному материалу, на­ряду с механической прочностью на сжатие и изгиб, является вы­сокая сопротивляемость разрушению при знакопеременном нагружении (высокий предел выносливости).

В процессе резания контактные площадки инструмента под­вергаются высокому температурному воздействию (до 800–1000 °С), что может привести к температурному разупрочнению и потере твердости инструментального материала. Поэтому следую­щим важным требованием к инструментальному материалу является его способность сохранять свою твердость и прочностные харак­теристики при повышенных температурах, соответствующих темпе­ратурам резания. Обычно это свойство инструментального матери­ала называют теплостойкостью, которая является важнейшим пока­зателем качества инструментального материала. С учетом необхо­димости использования инструмента в условиях периодического изменения температуры (например прерывистого резания) инстру­ментальный материал должен быть малочувствительным к цикличес­ким температурным изменениям.

Важным условием нормальной работы инструмента является снижение вероятности появления локальных термических напряже­ний на контактных площадках инструмента. Такая вероятность снижается по мере роста теплопроводности инструментального ма­териала. Поэтому последний должен обладать достаточной теплоп­роводностью.

Весьма важным свойством инструментального материала явля­ется его способность сопротивляться удалению собственных частиц при контактном взаимодействии с обрабатываемым материалом. Это свойство, обычно называемое износостойкостью, не является независимым, так как, в свою очередь, определяется такими свойствами как твердость, прочность, теплостойкость, трещиностойкость и т.д.

Наряду с требованиями к физико-механическим и теплофизическим свойствам инструментального материала, необходимым ус­ловием достижения достаточно высоких режущих свойств инстру­мента является низкая физико-химическая активность инструмен­тального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального материала (гео­метрические и структурные особенности кристаллического строе­ния, теплофизические свойства, структурные и термодинамические особенности фазового состава и т.д.) должны существенно отли­чаться от соответствующих свойств инструментального материала. Степень такого отличия сильно влияет на интенсивность физико-химических процессов (адгезионно–усталостные, коррозионно–окислительные и диффузионные процессы) и изнашивание контактных площадок инструмента.

Таким образом, физико–механические, теплофизические и кристаллохимические свойства инструментального материала сильно влияют на работоспособность режущего инструмента, а оптимальный выбор сочетания этих свойств позволяет в известных пределах управлять процессами изнашивания инструмента, транс­формировать один механизм изнашивания в другой, снижать интен­сивность изнашивания контактных площадок инструмента. Напри­мер, при постоянных значениях геометрических параметров инструмента и режимов обработки рост таких свойств инструмен­тального материала как твердость, теплостойкость, прочность, пассивность по отношению к обрабатываемому материалу и актив­ным реагентам из окружающей среды приводит к росту износос­тойкости контактных площадок инструмента и соответствующему увеличению его работоспособности.

Рис. 11.1. Классификация инструментальных материалов по их свойствам

Краткий анализ данных (рис. 11.1) позволяет хорошо уяснить причины узкой области применения большинства современных марок инструментальных материалов.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к инстру­ментальному материалу, выбор свойств и конкретной марки мате­риала следует производить с учетом условий обработки, которые определяются свойствами обрабатываемого материала и характером контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов в процессе резания. В частности, хрупкий и пласти­ческий пределы прочности режущей части инструмента зависят не только от физико–механических свойств инструментального мате­риала, но и определяются температурной зависимостью условного напряжения сдвига обрабатываемого материала. Поэтому инстру­мент, оснащенный пластинами из сверхтвердых инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора (СТМ) или пластинами из режущей керамики (РК), используют исключи­тельно для суперчистовой и чистовой обработки изделий (в том числе и повышенной твердости после полной термообработки) на высоких и сверхвысоких скоростях резания при весьма ограничен­ных сечениях среза.

Это связано с тем, что инструмент, осна­щенный пластинами из СТМ и РК, обладает высоким запасом плас­тической прочности (высокие показатели по твердости, теплос­тойкости) при относительно небольшом запасе хрупкой прочности (невысокие показатели предела прочности при изгибе, ударной вязкости, трещиностойкости). Инструмент, оснащенный пластинами из твердого сплава различных марок, имеет весьма узкое служеб­ное назначение, что предопределяется сочетанием основных физи­ко-механических свойств каждой конкретной марки сплава. Так, высококобальтовые марки твердых сплавов, обладающие большим запасом хрупкой прочности, применяются для черновых операций, твердые сплавы с высоким процентным содержанием карбидов (WC, TiС, TaC и др.), которые имеют большой запас пластической прочности, используют преимущественно для чистовых операций (см. рис. 11.1).

При обработке конструкционных сталей на малых и средних скоростях резания в сочетании со средними и большими сечениями среза большие преимущества получают инструменты из быстроре­жущей стали. Это связано с относительно невысоким запасом пластической прочности быстрорежущего инструмента (средние значения твердости и теплостойкости) и его большой хрупкой прочностью, определяемой высокими показателями прочности при изгибе, ударной вязкостью, трещиностойкостью, выносливостью.

Значительной спецификой обладает выбор инструментального материала при резании труднообрабатываемых материалов. В част­ности, из-за высоких значений температуры при резании титановых сплавов, пластическое разрушение режущей части инструмента происходит при значительно более низких скоростях резания, чем, например, при обработке сталей. Кроме того, резко возрастает склонность инструмента к диффузионному изна­шиванию, особенно при использовании инструмента, оснащенного пластинами титановольфрамокобальтового твердого сплава. В этом случае лучшие результаты обеспечивают инструменты, оснащенные пластинами из вольфрамокобальтового твердого сплава, имеющего достаточный запас пластической прочности.

Среди труднообрабатываемых материалов самую низкую обра­батываемость имеют жаропрочные сплавы на никелевой основе. Например, допустимая по хрупкой прочности предельная толщина среза a _пр при точении сплавов типа ХН55ВМТКЮ, ХН70ВМТЮ резцами с g = 0 –(–3°) и a = 8 –10° по данным [53] соответственно составляет для быстрорежущих сталей (Р18, Р6М5) a _пр<0,6–0,7 мм, для вольфрамокобальтовых сплавов (ВК8, ВК15) a _пр< <0,4–0,46 мм, а для титановольфрамокобальтовых сплавов (Т14К8, Т15К6) a _пр < <0,3–0,35 мм. Учитывая, что на операциях зачистки слитков перед их про­каткой толщина среза, исходя из технологического ограничения по шероховатости может достигать значений a _пр ³ 0,7 мм, то необ­ходимо отметить, что ресурс инструментального материала по хрупкой прочности недостаточен даже для инструмента из наибо­лее прочной быстрорежущей стали, чтобы обеспечить достаточную производительность обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе. Существенное повышение производительности могло бы быть достигнуто при повышении прочности при изгибе сплавов группы ВК до 2000–3000 МПа без снижения твердости, теплопровод­ности и теплостойкости.

Рассмотрим на примере обработки сплава ХН55ВМТКЮ требования к инструментальному материалу для обеспечения высо­копроизводительной обработки с позиций предельной сопротивляе­мости инструмента пластическому разрушению. Поскольку твер­дость HV_ом формируемой при резании стружки составляет около 4900–5400 МПа, то твердость HV_им инструментального материала должна составлять не менее 6900 МПа. Аналогично при обработке сталей твердость стружки в среднем составляет около 2940 МПа, поэтому твердость инстру­ментального материала должна быть выше 4900 МПа.

Если рассмотреть всю номенклатуру инструментальных мате­риалов, то такую твердость при высоких температурах не имеет ни один материал, за исключением алмаза и кубического нитрида бора. Однако алмаз при высоких температурах (q ³ 1000 °С) интен­сивно растворяется в никеле и поэтому сопротивляемость алмазного инструмента диффузионному изнашиванию чрезвычайно низка. Таким образом, инструмент, оснащенный алмазом, хотя и имеет высокий предел пластической прочности, но по показателям «диф­фузионная стойкость», «хрупкая прочность» непригоден для обработки сталей и высокопрочных сплавов. Непригодны для указанных целей также кубический нитрид бора и инструменты, оснащенные РК.

Анализ основных направлений совершенствования инструмен­тальных материалов (см. рис. 11.1) позволяет отметить, что они связаны с ростом твердости, теплостойкости, износостойкости при снижении проч­ностных характеристик, вязкости и трещиностойкости. Следует отметить, что эти тенденции не соответствуют идее создания инструментального материала с оптимальным сочетанием свойств по твердости, теплостойкости, ударной вязкости, трещиностой­кости, прочности.

Очевидно, что решение проблемы создания инструментального материала с «идеальными» свойствами должно быть связано с раз­работкой композиционного инструментального материала, у кото­рого высокие значения поверхностной твердости, теплостойкости, физико–химической инертности сочетались бы с достаточными зна­чениями прочности при изгибе, ударной вязкости, предела вы­носливости. Режущая часть инструмента, оснащенная пластинами из инструментального материала с «идеальными свойствами», об­ладала бы достаточным запасом «хрупкой» и «пластической» проч­ности.

Наиболее эффективным путем формирования требуемых свойств приповерхностных слоев инструментального материала без измене­ния заданных значений свойств, которые проявляются в геометри­ческом теле инструмента, является применение современных мето­дов механического (поверхностное пластическое деформирование – ППД), химико–термического (ХТО), физико-химического (ФХО) упрочнения, нанесения износостойких покрытий и комбинированной по­верхностной обработки, сочетающих методы ППД, ХТО, ФХО, и на­несения износостойких покрытий. В мировой практике указанные методы совершенствования инструментальных материалов находят все большее применение, особенно при производстве многогранных неперетачиваемых пластин для механического крепления на режу­щем инструменте.

Идеология создания новых инструментальных материалов с высокими режущими свойствами должна базироваться на фундамен­тальных исследованиях теории резания материалов и, прежде все­го, на таких ее разделах, как механика, контактные процессы, изнашивание и прочность инструмента, теплофизика резания.

На первом этапе проводится предварительный анализ и разрабатываются научные идеи. На этом этапе решаются задачи, связанные с установлением закономер­ностей связи между:

составом, структурой и дефектностью инструментального материала с его основными физико-механическими и тепло-физическими свойствами (твердость, ударная вязкость, прочность при изгибе, теплопроводность и т.д.);

основными свойствами инструментального материала и тех­нологическими условиями его производства (условия термообра­ботки, технология заточки и т.д.);

основными свойствами инструментального материала и ин­тенсивностью и характером изнашивания контактных площадок режущего инстру­мента для широкого диапазо­на изменения условий обработки (непрерывное, прерывистое, нес­тационарное резание).

Решение указанных научных задач позволяет сформировать банк информационно–статистических данных с учетом особенностей поведения материала при эксплуатации инструмента. Появляется также возможность формирования целевых функций, устанавливаю­щих закономерности связи свойств материала и эксплуатационных характеристик инструмента, разработки научных идей, которые можно использовать при создании инструментального материала и совершенствовании его физико–химических, теплофизических и других свойств. Наконец, экспертная оценка разработанных реше­ний позволяет выбрать оптимальные варианты.

Мероприятия первого (научного) этапа разработок дают воз­можность сформулировать технические требования на создаваемый материал или метод улучшения его свойств. При этом на основе анализа условий производства формируется банк статистических данных, на основе анализа структуры свойств инструментального материала формулируются целевые функции, разрабатывается идея создания инструментального материала с заданным комплексом свойств, на основе экспертиз и экспертных оценок принимаются соответствующие решения.

На втором этапе (этапе создания материала) происходит непосредственная разработка, а также оптимизация свойств материала и технологии его производства. На этом этапе уточняются условия испытаний, сертификации и оптимальной эксплуатации режущего инструмента, изготовленного из разработанного материала.

В результате таких исследований разработаны особомелкозернистые твердые сплавы, новые марки стверхтвердых материалов, керамики, керметов, безвольфрамовых твердых сплавов, созданы методы упрочняющей обработки пластическим деформированием, а также химико-термического, магнитно-импульсного, лазерного упрочнения.

В настоящей главе дается краткий анализ основных разработок по созданию и совершенствованию инструментальных материалов, приведен обзоросновных тенденций совершенствования инструментальных материалов в России и технологически развитых странах.