Фрезерное дело

§ 62. Материалы, применяемые для изготовления фрез

Материалы, применяемые для изготовления фрез, должны обладать следующими свойствами: высокой твердостью, повышающей твердость обрабатываемого материала, высокой износостойкостью и теплостойкостью, высокой механической прочностью.

Для изготовления режущих инструментов и, в частности, фрез применяют углеродистые легированные инструментальные стали, быстрорежущие инструментальные стали, твердые сплавы, минералокерамику, эльборы, синтетические и естественные алмазы.

Для изготовления режущего инструмента применяют инструментальные углеродистые стали следующих марок: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13 (буква У указывает на то, что сталь углеродистая, а цифры показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента). Инструментальные стали повышенного качества, имеющие минимальное количество вредных примесей, отмечают буквой А: У10А, У8А и т. д.

Углеродистая инструментальная сталь обладает низкими режущими свойствами. Режущие инструменты, изготовленные из такой стали, позволяют вести обработку при температуре в зоне резания до 200—250°С и при скоростях резания в пределах 10—15 м/мин.

Легированная инструментальная сталь по химическому составу отличается от углеродистой инструментальной стали лишь наличием одного или нескольких легирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена, ванадия.

Чаще всего для изготовления прорезных, фасонных и концевых фрез малых диаметров применяют следующие марки стали: ХГ, ХВ5, 9ХС и ХВГ.

Легированная инструментальная сталь обладает более высокими режущими свойствами, чем углеродистая инструментальная сталь (температура в зоне резания 300—350°С, скорости резания 20—25 м/мин).

Быстрорежущая инструментальная сталь в отличие от углеродистой и легированной инструментальной стали обладает большим сопротивлением износу и большей теплостойкостью. Она обладает красностойкостью, т. е. не теряет своих свойств при температуре красного каления (550—600°С).

Быстрорежущие стали делятся на стали нормальной производительности (Р18, Р12, Р9, Р18М, Р9М, Р6М5, Р18Ф2) и стали повышенной производительности (Р18Ф2К5, Р9Ф2К5, Р9Ф2К10, Р9Ф5, Р14Ф4, Р6МЗ, Р10Ф5К5 и др.), легированные кобальтом (К), ванадием (Ф) и молибденом (М).

Из быстрорежущих сталей нормальной производительности лучшей является сталь Р18, которая легко обрабатывается шлифованием и малочувствительная к прижогам.

Стали повышенной производительности обладают более высокими красностойкостью и режущими свойствами. Быстрорежущая сталь нормальной производительности может работать при скоростях резания до 60 м/мин и выше, а повышенной производительности — до 100 м/мин и выше.

Термическая обработка быстрорежущей стали. Закалка применяется для повышения твердости и сопровождается уменьшением вязкости. Нагрев при закалке инструмента из стали 6РМ5 и 6РМ5К5 производят в соляных электродных ваннах, обычно применяемых для термической обработки инструмента из стандартных быстрорежущих сталей. Нагрев трехступенчатый: первый подогрев (400—500°С) в воздушной среде; второй подогрев (840—680 или 1050°С) в соляной электродной ванне. Окончательный нагрев — в соляной электродной ванне. Основной интервал температур закалки составляет 1200—1300°С. Быстрорежущую сталь после закалки обязательно подвергают многократному отпуску. Для получения стабильных свойств отпуск инструмента из указанных выше сталей следует производить в жидкой среде в условиях регулирования температуры с точностью до ± 5°С. Оптимальная температура отпуска для стали 6РМ5 — 560°С, а для стали 6РМ5К5 — 570°С.

Быстрорежущие стали повышенной производительности требуют тщательного соблюдения режимов термообработки. Отступление от рекомендуемых режимов (особенно при термообработке кобальтовых сталей) может привести к понижению твердости и сильному обезуглероживанию.

Твердые сплавы допускают работу со скоростями резания, превышающими в 5—10 раз скорости обработки быстрорежущими инструментальными сталями, и не теряют режущих свойств при температуре до 850°С и выше.

Металлокерамические твердые сплавы состоят из карбидов вольфрама, титана или тантала и кобальта, связывающего эти вещества. Различают вольфрамо-кобальтовые металлокерамические сплавы (ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК6, ВК6М, ВК6Н, ВК10, ВК10М, ВК15М, ВК8, ВК6-ОМ, ВК8-ОМ, ВКЮ-ОМ, ВК 15-ОМ и другие и титаново-вольфрамо-кобальтовые Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4, Т60К6 и др.). Цифры после буквы К указывают процентное содержание в сплаве кобальта, после буквы Т — карбидов титана; остальное составляют карбиды вольфрама. Например, сплав Т14К8 состоит из 14% карбида титана, 8% кобальта и 78% карбида вольфрама.

В настоящее время выпускают трехкарбидные твердые сплавы, состоящие из карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта. Эти сплавы характеризуются высокой прочностью. Твердый сплав марки ТТ7К12 допускает работу с 1,5—2 раза большими подачами на зуб, чем сплав Т5К10. Твердые сплавы выпускаются в виде пластинок стандартных форм и размеров.

Вольфрамо-кобальтовые сплавы применяют для обработки хрупких материалов: чугуна, бронзы, закаленной стали, пластмасс, фарфора и т. п. Твердые сплавы титано-вольфрамовой группы предназначены главным образом для обработки сталей. Сплав ТТ20К9 специально предназначен для фрезерования стали (например, для фрезерования глубоких пазов); отличается повышенным сопротивлением тепловым и механическим циклическим нагрузкам. Наиболее прочными сплавами при черновой обработке стали являются сплавы марок ТТ7К12 и Т5К12Б.

С уменьшением размера зерен карбидов вольфрама износостойкость и твердость сплава увеличивается. Эту закономерность используют при создании сплавов различного назначения с требуемыми свойствами. Первыми мелкозернистыми сплавами были сплавы марок — ВКЗМ и ВК6М. В последнее время разработаны твердые сплавы с особо мелкозернистой (ОМ) структурой — ВК6-ОМ, ВКЮ-ОМ и ВК15-ОМ.

Стойкость твердосплавного инструмента повышается при нанесений на его поверхность износостойких слоев (5—15 мкм) карбидов (титана, ниобия), боридов, нитридов и др.

Минералокерамические сплавы приготовляют на основе окиси алюминия (А1203) — корунда путем тонкого размола, прессования и спекания. Выпускают их, как и твердые сплавы, в виде пластинок стандартных форм и размеров.

В настоящее время промышленное применение имеют две марки минеральной керамики: ЦМ-332 и ВЗ. Минеральная керамика марки ВЗ обладает большей (в 1,5—2 раза) прочностъю по сравнению с керамикой марки ЦМ-332. В состав керамики марки ВЗ помимо окиси алюминия входят сложные карбиды тугоплавких металлов.

Минералокерамические пластинки обладают большей теплостойкостью и износостойкостью, чем некоторые твердые сплавы. Однако они имеют пониженную по сравнению с твердыми сплавами прочность и повышенную хрупкость. Минеральная керамика находит применение при чистовом и тонком фрезеровании торцовыми фрезами (головками) с неперетачиваемыми пластинками.

Эльбор (композит) — является поликристаллическим образованием на основе кубического нитрида бора, синтезированным при высоких давлениях. Этот инструментальный материал значительно превосходит минеральную керамику и твердые сплавы по термоусталостной прочности, что способствует эффективной обработке закаленных сталей с применением СОЖ. Из эльбора изготовляют круги для шлифования и заточки режущего инструмента. Резцы из эльбора применяются для тонкого чистового точения закаленных деталей (НRC=45—60), хромоникелевых чугунов высокой твердости.

В настоящее время в промышленности начали применяться торцовые фрезы, оснащенные эльбором. Опыт внедрения инструмента (в частности, торцовых фрез) показывает, что этот инструментальный материал является весьма перспективным при чистовой обработке закаленных сталей, чугунов, никеля, цветных сплавов на основе меди и алюминия, ряда стеклопластиков и др.

Чистовое фрезерование закаленной стали торцовыми фрезами, оснащенными эльбором, производят с глубиной резания в пределах 0,2—0,8 мм, при этом достигается шероховатость поверхности в пределах седьмого класса.

Синтетические алмазы (типа «карбонадо» и «баласс») выпускаются в виде порошков и кристаллов. Из синтетических алмазных порошков изготовляют алмазно-абразивные инструменты. Алмазные круги из синтетических алмазов успешно применяются при заточке и доводке твердосплавных режущих инструментов (в том числе и фрезы).