animateMainmenucolor
activeMenucolor
Станкостроительный завод Металлообрабатывающие станки и инструмент
г. Набережные Челны
Обратная связь
Главная / ЧПУ станок / Металлорежущий инструмент / Свойства режущего инструмента станков ЧПУ

Свойства режущего инструмента станков ЧПУ

Главное свойство режущего инструмента - это твердость, которая должна быть больше твердости любого материала, обрабатываемого данным инструментом. Твердость не должна заметно уменьшаться от теплоты резания. Одновременно с этим материал резца не должен быть хрупким; режущая кромка резца не должна крошиться во время обработки детали. Материал режущего инструмента станков должен хорошо сопротивляться истиранию, которое происходит от трения стружки о передний край инструмента. Этому, в различной степени удовлетворяют токарные и фрезерные инструменты из металлокерамических твердых сплавов, минералокерамики, быстрорежущих и углеродистых сталей разных марок.

Наиболее востребованными материалами для токарных резцов являются металлокерамические твердые сплавы, которые сохраняют свойства режущего инструмента при нагревании в процессе работы до температуры 800—900° С. Эти сплавы состоят из тончайших зерен карбидов (карбидом какого-либо металла называется его устойчивое химическое соединение с углеродом) тугоплавких металлов — вольфрама, титана и тантала, сцементированных кобальтом.

Металлокерамические твердые сплавы токарных резцов разделяются на три группы:

  • вольфрамовые;
  • титано-вольфрамовые;
  • титано-тантало-вольфрамовые.

Режущий инструмент на основе вольфрамовых твердых сплавов предназначается для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов. Для изготовления токарных резцов используются вольфрамовые твердые сплавы марок ВК2, ВКЗМ, BK4, BK6, BK6M, ВК8В. Буква “В” в каждой из этих марок означает карбид вольфрама, буква К - кобальт; цифра, стоящая в марке после буквы К - указывает количество (в процентах) содержащегося в данном сплаве кобальта. Остальное - карбид вольфрама. Таким образом, например, в сплаве марки ВК2 содержится 2% кобальта и 98% карбида вольфрама.

Буква М, приведенная в конце некоторых марок, означает, что данный сплав режущего инструмента мелкозернистый (величина зерен 0,5-1,5 мк). Буква В приписывается к марке сплава, если он крупнозернистый (величина зерен 3-5 мк).

Мелкозернистость сплава из которого состоит режущий инструмент сообщает ему износостойкость большую износостойкости нормального сплава данной марки, при меньшей прочности и сопротивляемости ударам, вибрациям и выкрашиванию. Крупнозернистость сплава режущего инструмента, наоборот, повышает его прочность и сопротивляемость ударам, вибрациям и выкрашиванию и понижает износостойкость сплава.

Благодаря свойствам режущего инструмента из титано-вольфрамовых твердых сплавов, его применяют для обработки всех видов сталей. При токарной обработке используются сплавы марок Т5К10, Т5К12В, Т14К8, Т15К6, Т30К4. В каждой из этих марок буква “Т” и поставленная за ней цифра указывают количество (в процентах) содержащегося в данном сплаве карбида титана, а цифра после буквы К — содержание (в процентах) кобальта. Остальное в данном сплаве карбид вольфрама. Таким образом, например, в сплаве марки Т5КЮ содержится 5% карбида титана, 10% кобальта и 85% карбида вольфрама.

Режущий инструмент из титано-тантало-вольфрамовых сплавов используется в особо тяжелых случаях обработки сталей. В ГОСТ введена лишь одна марка этого сплава, а именно ТТ7К12, содержание которого - 7% карбидов титана и тантала, 12% кобальта и 81% карбида вольфрама. Инструмент для станков из металлокерамических сплавов выпускается в виде сменных пластинок различных форм и размеров.

При определенных условиях, в качестве инструментального материала находят применение минералокерамические материалы, основной частью которых является окись алюминия. В состав режущего инструмента из этих материалов не входят относительно редкие элементы: вольфрам, титан, кобальт и др. Основное свойство режущего инструмента из металлокерамики это теплостойкость, этот показатель очень высокий и достигает 1200°С и более. В этом главное преимущество минералокерамических материалов в сравнении с твердыми сплавами, основными составляющими которых являются редкие и дорогие элементы и теплостойкость которых ниже. Недостатком минералокерамического сплава является его хрупкость. Поэтому он применяется при получистовой и чистовой обработке чугуна, стали и цветных сплавов. Минералокерамические материалы представляют из себя сменные пластины для резцов и фрез металлообрабатывающих станков

Для изготовления токарных резцов используются быстрорежущие стали марок Р18 и Р9. Основными элементами быстрорежущей стали марки Р18, наиболее широко применяемой для изготовления резцов, являются вольфрам (17,5-19%) и хром (3,8-4,4%), сообщающие режущему инструменту свойство самозакаливаемости и теплостойкости при нагревании примерно до 600°С. Углерод (0,70-0,80%), входящий в состав рассматриваемой стали, соединяясь с вольфрамом и хромом, повышает ее твердость. Кроме того, в быстрорежущей стали марки Р18 содержится небольшое количество (1,0-1,4%) ванадия.

В менее распространенной быстрорежущей стали марки Р9 содержится вольфрам (8,5-10,0%), хром (3,8-4,4%), углерод (0,85-0,95%), ванадий (2,0-2,6%) и другие не оказывающие существенного влияния элементы.

Кроме сталей Р18 и Р9 для изготовления токарных резцов используются быстрорежущие стали марок Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5, Р18К5Ф2, Р10К5Ф5 и Р9К9. Буква Р в этих марках обозначает вольфрам, буква Ф - ванадий, буква К - кобальт. Цифры, стоящие после букв, определяют содержание в данной стали этих элементов в процентах. Кроме характеризующих данные марки стали элементов, указанных в их обозначениях, эти стали содержат также углерод, хром, молибден и другие составляющие. Определить материал токарного резца, при отсутствии на нем маркировки, можно «по искре».

При затачивании резца по металлу из быстрорежущей стали образуется небольшое количество искр красного цвета, похожих на звездочки. Чем больше в стали вольфрама, тем темнее искры и тем их меньше.

Из углеродистых сталей для изготовления резцов применяются стали марок У12А и У10А. В этих марках буква У условно обозначает, что сталь углеродистая; следующие за ней цифры указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента, а буква А также условно указывает, что сталь высококачественная. Таким образом, маркой У12А обозначается высококачественная углеродистая сталь со средним содержанием углерода 1,2%.

Кроме углерода, в этих сталях режущих инструментов содержится марганец, кремний, хром, никель, сера и фосфор.

При затачивании токарного резца из углеродистой стали образуется много желтых искр в виде прямых линий.

Свойства режущего инструмента из углеродистой стали следующие, при нагреве до 200°С резцы теряют стойкость и становятся негодными для дальнейшей работы. Поэтому в настоящее время они применяются очень редко и главным образом для обработки материалов мягких и средней твердости, при небольших скоростях резания.

Влияние свойств режущего инструмента на скорость резания

В технической литературе, когда рассчитывается скорость резания при всех видах обработки сложилась парадоксальная ситуация с применением поправочного коэффициента на режущие свойства инструмента KVu. Во всей справочно-нормативной литературе для каждой марки твёрдого сплава он принят как постоянная величина. В тоже время, техническими условиями на изготовление твёрдосплавного инструмента (ОСТ-48-99-84) допускается изменение режущих свойств инструмента внутри его марочного состава для однокарбидных сплавов группы ВК до полутора-двух раз, для двух и трёх карбидных сплавов группы ТК и ТТК более двух раз. Показатели качества поставки твёрдосплавных резцовых пластин такие как коэффициент стойкости или величина коэрцитивной силы, согласно сертификатам заводов-изготовителей,  невозможно применить в расчётных формулах определения скорости резания, поскольку вероятность того, что они принадлежат каждой режущей пластинке из партии поставки мала. Да и сами существующие математические модели расчёта скорости резания не ориентированы на их использование.

О нестабильности свойств режущего инструмента отечественного твёрдосплавного инструмента указано в работах Бабича М.М., Самойлова В.С., Третьякова В.И. Авторы связывают эту нестабильность с качеством кобальтовой связки, зависящей от процентного растворения в ней в процессе спекания вольфрама под воздействием углерода. В литературе описаны физические основы связи теплопроводности твёрдого сплава с качеством связки, указано на влияние растворённого в ней вольфрама. Его процентное содержание от 2% до 18% определяет способность связки противостоять циклическим нагрузкам на режущее лезвие, способность связки удерживать режущие зёрна карбидов вольфрама, титана и тантала в монолитном объёме, способность противостоять диффузии железа в связку, которая разупрочняет поверхностные слои твёрдосплавного инструмента и способствует более интенсивному вырыву зёрен карбидов.

На рис.1. на примере сплава ВК10 показано влияние содержания углерода в сплаве на его физико-механические свойства. Приведены границы существования трех разных по фазовому и химического составу областей кобальтовой связки, определяющие режущие свойства сплава. Наилучшими режущими свойствами обладает двухфазная область кобальтовой связки (WC+γ). Это раствор вольфрама и углерода в кобальте, содержащий примерно от 17 до 5% растворённого в связке вольфрама без дополнительной η1-фазы (её наличие не допускается по ТУ из-за повышенной хрупкости твёрдого сплава) и дополнительной фазы графита. Трехфазная область (WC+γ+C) – раствор, содержащая около 4 - 2% вольфрама в кобальтовой связке и содержащая свободный графит (сажу). Это допускаемая по ТУ область с пониженными режущими свойствами инструмента. При резании труднообрабатываемых сталей это менее работоспособный, а значит и менее надёжный инструмент по причине низкого качества связки. Но, согласно ТУ, это не брак. Нестабильность качества связки присуще всем маркам твёрдого сплава из-за так называемого «металлургического» фактора при спекании.

Рис. 1. Влияние содержания углерода на свойства сплава ВК10: 1 – предел прочности при изгибе σи, кгс/мм2; 2 – твердость по Виккерсу Hv, кгс/мм2; 3 – период решетки кобальтовой фазы, Å; 4 – электрическое сопротивление сплава ρ, мкОм*см

При выборе марки инструмента для токарной обработки технолог ориентирован на некое «среднее» качество связки и «средние» режущие способности марки твёрдого сплава. Хорошее качество твёрдосплавного инструмента или низкое он узнаёт после запуска техпроцесса в работу. Трёхфазный сплав режущего инструмента с содержанием графита следовало бы применять при обработке чугуна, бронзы, полимеров, а не группы труднообрабатываемых материалов, где он проявляет себя как «слабое» звено технологического процесса.

Методики выбора скорости резания предусматривают выбор такого её количественного значения, которое вместе с глубиной резания и подачей обеспечило бы задаваемый период стойкости инструмента. Т.е. надо точно рассчитать астрономическую величину в технологическом процессе – время надёжной работы инструмента. Свойства режущего инструмента из твёрдых сплавов, содержащих графит не обеспечивают сохранение работоспособности в задаваемом периоде стойкости на уровне 30-45-60 минут.

Если оператор станка обслуживает один станок с ЧПУ и заданное время работы резца составляет 60 минут, в смене надо семь раз точно рассчитать время его надёжной работы. Если в режиме многостаночного обслуживания он работает на двух станках с ЧПУ, то вдвое больше. Статистические данные о причинах простоя автоматизированного станочного оборудования говорят о том, что до 48-52% случаев простоя происходит по вине режущего инструмента.

Чаще всего «виной» этого становится твёрдосплавный инструмент с низким качеством кобальтовой связки случайно оказавшийся в контактной паре со сталью с повышенными прочностными свойствами. Качественный (двухфазный) твёрдосплавный инструмент не является слабым звеном в технологической системе, однако технология производства отечественных твердых сплавов не может гарантировать даже 50% его нахождения в партиях спекания. Это связано с тем, что очень узкие по допустимому содержанию углерода области, составляющие десятые доли процента (0,1–0,5) приводят к широкому пределу изменения режущих свойств. Изучая свойства режущего инструмента в работе М.М.Бабича в качестве примера показано, что при ширине двухфазной области по углероду для сплава ВК6, равной 0,12 весовых процента, колебание углерода от нижнего до верхнего предела приводит к двукратному снижению его износостойкости.

Оператор при обслуживании одного станка с ЧПУ, наблюдая за ходом процесса резания, по собственному опыту или по косвенным признакам может скорректировать уменьшить скорость резания в случае использования режущей твёрдосплавной пластики с пониженными свойствами. В режиме работы на нескольких станках ЧПУ его возможности коррекции скорости значительно сокращаются.