Для забезпечення працездатності металорізального інструменту необхідно виготовляти його робочу частину з матеріалу, що володіє комплексом певних фізико-механічних властивостей (високими показниками твердості, зносостійкості, міцності, теплостійкості і ін.). Матеріали, що відповідають вимогам цього комплексу і здатні здійснювати різання, називаються інструментальними матеріалами. Розглянемо физи- ко-механічні властивості інструментальних матеріалів.
Щоб потрапити в поверхневі шари оброблюваної заготовки, леза робочої частини інструментів повинні бути виконані з матеріалів, що мають високу твердість. Твердість інструментальних матеріалів може бути природного (т. Е. Властивою матеріалу під час його утворення) або досягнута спеціальною обробкою. Наприклад, інструментальні стали в стані поставки з металургійних заводів легко піддаються обробці різанням. Після механічної обробки, термообробки, шліфування і заточування інструментів зі сталі їх міцність і твердість різко підвищуються.
Твердість визначається за допомогою різних методів. Твердість по Роквеллу позначається цифрами, що характеризують число твердості, і буквами HR із зазначенням шкали твердості А, В або С (наприклад, HRC). Твердість термооброблених інструментальних сталей вимірюється за шкалою С Роквелла і виражається в умовних одиницях HRC. Найбільш стійкий режим роботи і найменша зношуваність лез інструментів, виготовлених з інструментальних сталей і пройшли термообробку, досягається при твердості HRC 63. 64. При меншій твердості зростає зношуваність лез інструмента, а при більшій твердості леза починають фарбувати через надмірну крихкості.
Метали, які мають твердість HRC 30. 35, задовільно обробляються інструментами з термооброблених інструментальних сталей (HRC 63. 64), т. Е. При відносно твердостей, приблизно дорівнює двом. Для обробки термооброблених металів (HRC 45. 55) необхідно використовувати інструменти, виготовлені тільки з твердих сплавів. Їх твердість вимірюється за шкалою А Роквелла і має значення HRA 87. 93. Висока твердість синтетичних інструментальних матеріалів дозволяє використовувати їх для обробки загартованих сталей.
У процесі різання на робочу частину інструментів діють сили різання, що досягають 10 кН і більше. Під дією цих сил в матеріалі робочої частини виникають великі напруги. Щоб ці напруги не приводили до руйнування інструменту, що використовуються для його виготовлення інструментальні матеріали повинні мати досить високу міцність.
Серед всіх інструментальних матеріалів найкращим поєднанням міцності мають інструментальні стали. Завдяки цьому робоча частина інструментів, виконаних з інструментальних сталей, успішно витримує складний характер навантаження і може працювати на стиск, кручення, вигин і розтягнення.
В результаті інтенсивного виділення теплоти в процесі різання металів нагріваються леза інструменту, причому найбільшою мірою - їх поверхні. При температурі нагріву нижче критичної (для різних матеріалів вона має різні значення) структурний стан і твердість інструментального матеріалу не змінюються. Якщо температура нагрівання перевищує критичну, то в матеріалі відбуваються структурні зміни і пов'язане з цим зниження твердості. Критична температура називається також температурою красностойкості. В основі терміна «красностойкость» лежить фізичне властивість металів при нагріванні до 600 ° С випромінювати темно-червоне світло. Червоностійкість - це здатність матеріалу зберігати при підвищених температурах високі твердість і зносостійкість. За своєю суттю красностойкость означає температуростойкость інструментальних матеріалів. Температуростійкість різних інструментальних матеріалів змінюється в широких межах: 220. 1800 ° С.
Збільшення працездатності різального інструменту може бути досягнуто не тільки за рахунок підвищення температури кістки інструментального матеріалу, а й завдяки поліпшенню умов відведення теплоти, що виділяється в процесі різання на лезі інструменту і викликає його нагрівання до високих температур. Чим більша кількість теплоти відводиться від леза в глиб інструменту, тим нижче температура на його контактних поверхнях. Теплопровідність інструментальних матеріалів залежить від їх хімічного складу і температури нагріву.
Наприклад, присутність в стали таких легуючих елементів, як вольфрам і ванадій, знижує теплопровідні властивості інструментальних сталей, а легування їх титаном, кобальтом і молібденом, навпаки, помітно підвищує.
Значення коефіцієнта тертя ковзання матеріалу заготовки по інструментальному матеріалу залежить від хімічного складу і фізико-механічних властивостей матеріалів контактуючих пар, а також від контактних напружень на поверхнях, що труться і швидкості ковзання.
Коефіцієнт тертя пов'язаний функціональною залежністю з силою тертя і роботою сил тертя на шляху взаємного ковзання інструменту і заготовки, тому значення цього коефіцієнта впливає на зносостійкість інструментальних матеріалів.
Взаємодія інструменту з оброблюваним матеріалом протікає в умовах постійного (рухомого) контакту. При цьому обидва тіла, що утворюють пару тертя, взаємно зношуються.
Матеріал кожного з взаємодіючих тіл має:
- властивістю стирати матеріал, з яким він взаємодіє;
- зносостійкість, тобто здатністю матеріалу чинити опір стирається дії іншого матеріалу.
Зношування лез інструмента відбувається протягом усього періоду взаємодії з оброблюваним матеріалом. В результаті цього леза інструменту втрачають деяку частину своїх ріжучих властивостей, змінюється форма робочих поверхонь інструменту.
Зносостійкість не є незмінною властивістю інструментальних матеріалів, вона залежить від умов різання.
Сучасні інструментальні матеріали відповідають вимогам, розглянутим вище. Вони поділяються на такі групи:
- інструментальні сталі;
- тверді сплави (металокераміка);
- мінералокераміка і кермети;
- синтетичні композиції з нітриду бору;
- синтетичні алмази.
Інструментальні стали поділяють на вуглецеві, леговані і швидкорізальні.
Вуглецеві інструментальні сталі застосовують для виготовлення інструменту, що працює при малих швидкостях різання.
Основними властивостями вуглецевих інструментальних сталей є висока твердість (HRC 62. 65) і низька температуростойкость.
З стали марок У9 і У10А виготовляють пилки; зі сталі марок У11; У11А; У12 - ручні мітчики і ін.
Температуростійкість сталей марок У10А. У13А 220 ° С, тому інструмент з цих сталей рекомендується застосовувати при швидкості різання 8. 10 м / хв.
Легована інструментальна сталь в залежності від основних легуючих елементів може бути хромової (X), хромо- кременистої (ХС), вольфрамової (В), хромовольфрамомарганце- виття (ХВГ) та ін.
Зі сталі марки X виготовляють мітчики і плашки, зі сталі 9ХС - свердла, розгортки, мітчики і плашки. Сталь В1 рекомендується для виготовлення дрібних свердел, мітчиків і розгорток.
Температуростійкість легованих інструментальних сталей 350. 400 ° С, тому допустимі швидкості різання для інструменту з цих сталей в 1,2. 1,5 рази вище, ніж для інструменту з вуглецевих інструментальних сталей.
Швидкорізальної сталі в залежності від ріжучих властивостей ділять на сталі нормальної і підвищеної продуктивності. До сталям нормальної продуктивності відносяться вольфрамові стали марок Р18; Р9; Р9Ф5 і Вольфрамомолібденовие стали марок Р6МЗ; Р6М5, що зберігають твердість не менше HRC 58 до температури 620 ° С. До сталям підвищеної продуктивності відносяться стали марок Р18Ф2; Р14Ф4; Р6М5К5; Р9М4К8; Р9К5; Р9К10; Р10К5Ф5; Р18К5Ф2, що зберігають твердість HRC 64 до температури 630. 640 ° С.
Стали нормальної продуктивності - твердість HRC 65, температуростойкость 620 ° С, межа міцності при вигині 3. 4 ГПа (300. 400 кгс / мм 2) - призначені для обробки вуглецевих і низьколегованих сталей з межею міцності на вигин до 1 ГПа (100 кгс / мм 2), сірого чавуну і кольорових металів. Швидкорізальної сталі підвищеної продуктивності, леговані кобальтом або ванадієм (твердість HRC 70. 78, температуростойкость 630. 650 ° С, межа міцності при вигині 2,5. 2,8 ГПа, або 250. 280 кгс / мм 2), призначені для обробки важкооброблюваних сталей і сплавів, а з межею міцності при вигині понад 1 ГПа (100 кгс / мм 2) - для обробки титанових сплавів.
Всі інструменти, виготовлені з інструментальних сталей, піддають термічній обробці. Інструменти з швидкорізальної сталі можуть працювати при більш високих швидкостях різання, ніж інструменти з вуглецевої і легованої інструментальних сталей.
Тверді сплави ділять на металокерамічні і мінералокераміческіе. Форма пластин, виготовлених з цих сплавів, залежить від їх механічних властивостей. Інструменти, оснащені пластинами з твердих сплавів, дозволяють працювати на більш високих швидкостях різання в порівнянні з інструментами з швидкорізальної сталі.
Вольфрамотітанотанталовие сплави групи ТТК складаються з карбідів титану, вольфраму, танталу і кобальту. Для виготовлення металорізального інструмента використовують сплави марок ТТ7К12 і ТТ10К8Б, що містять відповідно 7 і 10% карбідів титану і танталу, 12 і 8% карбідів кобальту (решта - карбід вольфраму). Інструмент з цих сплавів застосовують в особливо важких умовах обробки, коли використання інших інструментальних матеріалів неефективно.
Тверді сплави мають високу температуростойкостью. Вольфрамові тверді сплави зберігають твердість HRC 83. 90, а вольфрамотітановие - HRC 87. 92 при температурі 800. 950 ° С, що дозволяє інструменту зі сплавів працювати при високих швидкостях різання (до 500 м / хв при обробці сталей і до 2700 м / хв при обробці алюмінію).
Для обробки деталей з корозійно-стійких, жароміцних та інших важкооброблюваних сталей і сплавів призначені інструменти з дрібнозернистих сплавів групи ОМ: зі сплаву ВК6-ОМ - для чистової обробки, а із сплавів ВК10-ОМ і ВК15-ОМ - для напівчистової і чорнової обробки. Ще більш ефективно для обробки важкооброблюваних матеріалів використання інструментів з твердих сплавів марок BK10-XOM і ВК15-Хом, в яких карбід танталу замінений карбідом хрому. Легування сплавів карбідом хрому збільшує їх твердість і міцність при високих температурах.
Для підвищення міцності пластини з твердого сплаву плакируют, тобто покривають захисною оболонкою. Широко застосовують зносостійкі покриття з карбідів, нітридів і карбонідов титану, нанесені тонким шаром (завтовшки 5. 10 мкм) на поверхню твердосплавних пластин. На поверхні цих пластин утворюється дрібнозернистий шар карбіду титану, що володіє високою твердістю, зносостійкістю і хімічної стійкістю при високих температурах. Зносостійкість твердосплавних пластин з покриттям в середньому в три рази вище зносостійкості пластин без покриття, що дозволяє збільшити швидкість різання на 25. 30%.
При певних умовах в якості інструментального матеріалу застосовують мінералокераміческіе матеріали, одержувані з окису алюмінію з добавками вольфраму, титану, танталу і кобальту.
Для ріжучого інструменту використовують мінералокераміки марки ЦМ-332, яка відрізняється високою температуростойкостью (твердість HRC 89. 95 при температурі 1200 ° С) і зносостійкість, що дозволяє вести обробку сталі, чавуну і кольорових сплавів при високих швидкостях різання (наприклад, чистове обточування чавуну при швидкості різання 3700 мм / хв, що в два рази вище швидкості різання при обробці інструментом з твердих сплавів). Недоліком мінералокераміки марки ЦМ-332 є підвищена крихкість.
Для виготовлення ріжучих інструментів застосовують також ріжучу кераміку (Кермет) марок В3; ВОК-60; ВОК-63, що представляє собою оксидно-карбідне з'єднання (окис алюмінію з добавкою 30. 40% карбідів вольфраму і молібдену). Введення до складу мінералокераміки карбідів металів (а іноді і чистих металів - молібдену, хрому) покращує її фізико-ме ханических властивості (зокрема, знижує крихкість) і підвищує продуктивність обробки в результаті підвищення швидкості різання. Напівчистова і чистове обробка інструментом з КЕРМЕТ деталей з сірих, кування чавунів, важкооброблюваних сталей, деяких кольорових металів і сплавів проводиться зі швидкістю різання 435. 1000 м / хв без подачі МОР (мастильно-охолоджувальної рідини) в зону різання. Ріжуча кераміка відрізняється високою температуростойко- стю (твердість HRC 90. 95 при температурі 950. 1100 ° С).
Для обробки загартованих сталей (HRC 40. 67), високоміцних чавунів (НВ 200. 600), твердих сплавів типу ВК25 і ВК15 і склопластиків застосовують інструмент, ріжучий частина якого виготовлена з надтвердих матеріалів (ВТМ) на основі нітриду бору і алмазів. При обробці деталей із загартованих сталей і високоміцних чавунів застосовують інструмент, виготовлений з великих полікристалів (діаметром 3. 6 мм і довжиною 4. 5 мм) на основі кубічного нітриду бору (ельбор Р). Твердість ельбор Р наближається до твердості алмазу, а його температуростойкость в два рази вище температуростойкости алмазу. Ельбор Р хімічно інертний до матеріалів на основі заліза. Межа міцності полікристалів при стисненні 4. 5 ГПа (400. 500 кгс / мм 2), при вигині - 0,7 ГПа (70 кгс / мм 2), температуростойкость 1350. 1450 ° С.
З інших СТМ, що застосовуються для обробки різанням, слід зазначити синтетичні алмази балас (марка АСБ) і карбонадо (марка АСПК). Карбонад хімічно активніший до вуглець-містять матеріалів, тому його використовують при точінні деталей з кольорових металів, висококремнистих сплавів, твердих сплавів ВК10. ВК30, неметалічних матеріалів. Стійкість різців з карбонади в 20. 50 раз вище стійкості різців з твердих сплавів.