Анализ условий работы режущего инструмента

Фрезы дисковые. Фреза используется в качестве режущего инструмента для механической обработки металла резанием, при которой режущий инструмент - фреза имеет вращательное (главное) движение, а обрабатываемая заготовка - поступательное движение (движение подачи), оно может быть направлено как по направлению вращения фрезы, так и против.

Особенностью фрезерования является прерывистость процесса резания. Это обусловлено тем, что при вращении фрезы каждый зуб врезается в заготовку с ударом, а затем работает только на некоторой части оборота и выходит из зоны резания. При дальнейшем движении зуб не касается заготовки, что способствует его охлаждению и обусловливает более благоприятные условия для работы.

Врезание зубьев фрезы в заготовку с ударами приводит к возникновению вибрации, что отрицательно сказывается на точности и шероховатости обработки.

Рабочая кромка инструмента испытывает тепловые воздействия за счет тепла, выделяющегося при резании и трении. Температура достигает 400-600ºС и может повышаться при дальнейшем повышении скорости резания. Тепловой фактор влияет на свойства и поведение инструментальных сталей. Каждый режущий зуб фрезы имеет такие же элементы и, как и любой резец или другой режущий инструмент, врезаясь в металл, снимает стружку.

Поэтому наиболее важные требования к дисковой фрезе следующие:

высокая твердость 63-65 HRC;

высокая прочность и сопротивление пластической деформации;

теплостойкость, при температуре резанья 615-620°С;

формо- и размероустойчивость.

Свёрла. Сверло - режущий инструмент для обработки отверстий в сплошном материале, или для рассверливания отверстий при двух одновременно выполняющихся движениях: вращения сверла вокруг его оси и поступательного движения подачи вдоль оси инструмента.

В промышленности применяются такие основные типы свёрл: спиральные, перьевые, кольцевые, центровочные. Свёрла изготавливаются из быстрорежущих сталей, марок Р18, Р12, Р9, Р6М3, Р6М5, Р6М5К5. Основным типом свёрл, наиболее широко применяющимся в промышленности, является спиральное сверло. Оно применяется при сверлении и рассверливании отверстий диаметром до 80 мм. Такие свёрла состоят с основных частей: режущая, направляющая, хвостовик. Режущая и направляющая части составляют рабочую зону сверла, оснащённую двумя винтовыми канавками.

Режущая часть сверла состоит из двух (зубьев), которые в процессе сверления своими режущими кромками врезаются в материал заготовки и срезают его в виде стружки.

Условия работы сверла определяются главным образом конструкцией режущей части. Направляющая часть сверла необходима для направления сверла при работе. Направляющая часть имеет вспомогательные режущие кромки - кромки ленточки, принимающие участие в формировании поверхности обрабатываемого отверстия. Хвостовик служит для крепления сверла. В свёрлах с коническим хвостовиком рабочая часть изготавливается из быстрорежущей стали, а хвостовик из стали 45.

Метчики. Метчик представляет собой закаленный винт, на котором прорезано несколько прямых или винтовых канавок, образующих режущие кромки инструмента. Канавки также обеспечивают размещение стружки, образующейся при резании; стружка может выводиться из зоны резания.

Условия резания при снятии стружки метчиком очень тяжелые из-за несвободного резания, больших сил резания и трения, а также затрудненных условий удаления стружки. Кроме того, метчики имеют пониженную прочность из-за ослабленного поперечного сечения. Особенно отрицательно это сказывается при нарезании резьбы в вязких материалах метчиками малых диаметров, которые часто выходят из строя из-за поломок, вызванных пакетированием стружки. термический лезвийный фреза сверло метчик

Поэтому материал для изготовления метчика должен обладать высокой твердостью (63-66 HRC) и износостойкостью, т.е. способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Выбор материала

Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурации и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью и износостойкостью, т.е. способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Чем больше твердость обрабатываемых материалов, толще стружка и выше скорость резания, тем больше энергия, затрачиваемая на процесс обработки резанием. Механическая энергия переходит в тепловую. Выделяющееся тепло нагревает резец, деталь, стружку и частично рассеивается. Поэтому основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость, т.е. способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы.

Режущие свойства инструмента ухудшаются не только под влиянием высокой температуры, но и таких явлений, как адгезия, вызывающая спаривание обрабатываемого материала с рабочей поверхностью инструмента, ускоренное выкрашивание и окисление поверхности, диффузия, абразивно-механическое изнашивание режущей кромки и поверхностей инструмента. Во избежание преждевременного разрушения режущей кромки необходимо, чтобы инструментальный материал был достаточно прочным.

Рабочая кромка инструмента находится в условиях, близких к неравномерному всестороннему сжатию и переводящих металл в более пластичное состояние вследствие возрастания доли касательных напряжений. При очень больших напряжениях может наблюдаться деформирование и пластическое течение тонкого поверхностного слоя.

Режущие инструменты подвергаются воздействию повышенных напряжений, чаще всего изгиба и кручения. Максимальный изгибающий или крутящий момент возникает в участках, несколько удаленных от контактирующей поверхности, например в основании зуба фрезы, метчика и т.д. В некоторых инструментах могут возникать растягивающие напряжения. Работа многих инструментов связана с ударными нагрузками или вибрациями, не устраняемыми полностью в системе станок - обрабатываемая деталь - инструмент или создаваемыми условиями резания, например при сквозном сверлении, при работе многолезвийных инструментов (фрезы, долбяки и т.д.). Поэтому инструмент должен обладать высокой твердостью рабочей части режущего инструмента, превышающей твердость детали. Инструмент с недостаточной твердостью не может резать: его форма и размеры быстро изменяются. Кроме того инструмент должен быть вязким. При низкой вязкости образуются трещины, происходит выкрашивание и поломка инструмента.

В процессе работы режущего инструмента происходит непрерывное трение - износ поверхности режущей кромки инструмента. Поэтому режущий инструмент должен обладать высокой износостойкостью.

Материал для режущего инструмента должен отвечать не только основным эксплуатационным свойствам, перечисленным выше, но и технологическим свойствам, которые характеризуют поведение стали при изготовлении инструмента и его термической обработке: стали для режущего инструмента должны обладать высокой закаливаемостью и прокаливаемостью, устойчивостью к деформации при термической обработке, стойкостью против закалочных трещин, стойкостью против окисления и обезуглероживания, не должны быть загрязнены неметаллическими включениями, снижающими качество инструмента.

Режущие свойства инструмента ухудшаются под действием адгезии, вызывающей сваривание обрабатываемого материала с рабочей поверхностью инструмента, ускоренное выкрашивание и окисление поверхности; диффузии, абразивно-механического изнашивания режущей кромки и поверхности инструмента.

При изготовлении литого режущего инструмента особый интерес представляет использование безвольфрамовой быстрорежущей стали типа 11М5Ф, которая относится к сталям заэвтектоидного класса. Эту сталь, особенно модифицированную, по сравнению со сталями чисто ледебуритного класса, отличает значительно меньшая карбидная неоднородность - объемная доля эвтектических карбидов не превышает 1% при кристаллизации металла в кокиле и 5% - в керамической форме.

Важно подчеркнуть, что избыточных карбидов очень мало и после термической обработки, включающей закалку от 1180°С и трёхкратный отпуск при 560°С, они практически отсутствуют в структуре стали кокильного литья. Как следствие, после окончательной термической обработки сталь марки 11М5Ф при всех используемых в эксперименте способах литья значительно превосходит сталь марки Р6М5 по ударной вязкости. Благодаря тому, что вторичные карбиды более полно растворяются в аустените при нагреве под закалку, сталь марки 11М5Ф не уступает по твёрдости и теплостойкости стали марки Р6М5. Промышленные стойкостные испытания фасонных фрез подтвердили перспективность стали для изготовления литого инструмента.

Данные свойства стали 11М5Ф удовлетворяют требованиям для изготовления фрезы дисковой.

Стали с повышенным содержанием вольфрама, ванадия, кобальта имеют высокую твёрдость, но у них сильно проявляется карбидная неоднородность, которая негативно влияет на их твёрдость, что приводит к выкрашиванию режущих кромок. Этому меньше подвержены молибденосодержащие стали, которые имеют стабильные по всему сечению характеристики.

В наше время наблюдается тенденция к замене быстрорежущих сталей с высоким содержанием вольфрама на сложнолегированные стали с малым содержанием вольфрама. Наиболее типичными представителями таких сталей есть стали Р6М5 и Р6М5Ф3. Добавление молибдена даёт возможность значительно уменьшить карбидную неоднородность, что повышает как прочность, так и стойкость режущего инструмента. Поэтому во всех случаях сталь Р18 можно заменять сталью Р6М5, особенно при изготовлении крупногабаритных инструментов, когда особенно видна карбидная неоднородность стали Р18.

Повышенная стойкость, прочность и технологичность дали возможность стали Р6М5 занять доминирующее место среди сталей нормальной продуктивности. Её применяют при изготовлении широкой гаммы режущих инструментов.

Вольфрамомолибденовые стали целесообразно применять для инструментов, от которых требуются повышенная прочность и вязкость. Сталь Р6М5 применяется для всех видов режущего инструмента, работающего при обычных скоростях резания, предназначенного для резания углеродистых и среднелегированных конструкционных сталей с σ_В до 900-1000 МПа; зуборезного и резьборезного инструмента для обработки нержавеющих сталей. Стойкость инструментов из стали Р6М5 равна или несколько выше (примерно на 20%) стойкости инструментов из стали Р18. Поэтому данные свойства стали Р6М5 удовлетворяют требованиям для изготовления метчика.

Сталь Р6М5Ф3 применяется для изготовления режущего инструмента (фасонные резцы, развёртки, свёрла, протяжки и др.), предназначенного для обработки сталей и сплавов. Инструменты из стали Р6М5Ф3 имеют стойкость на 20% выше, чем из стали Р18. Поэтому данные свойства стали Р6М5Ф3 удовлетворяют требованиям для изготовления сверла.

Хвостовая часть этих инструментов будет изготавливаться из конструкционной стали 45. Структура стали, содержащей меньше 0,8% углерода состоит из феррита и перлита. Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности. Существенно влияние углерода на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость в вязкой области (т. е. при температурах выше порога хладноломкости).

Разработка маршрутной технологии изготовления режущего инструмента: