ВВЕДЕНИЕ В последнее время наблюдается существенное изменение в развитии и применении инструментальной стали, не только для инструментов, но и во многих других областях техники. Применение инструментальных сталей в качестве конструкционных и для других условий эксплуатации требует знания таких свойств сталей, которые раньше мало изучали, в первую очередь вязкость, сопротивление знакопеременным нагрузкам и контактной выносливости в разных структурных состояниях. В настоящее время для повышения механических свойств инструментальных сталей начинают использовать некоторые новые способы обработки. В современном машиностроении для повышения долговечности ответственных деталей широко используют процессы термической обработки, из которых наибольшее распространение получили закалка и отпуск. В результате применения этих методов термической обработки повышается износостойкость детали, возрастает усталостная прочность и т.д. Перспективным направлением совершенствования технологии термической обработки является интенсификация процессов нагрева, установка агрегатов для термической обработки, применение автоматических линий с включением в них процессов термической обработки. 1 1 Общая часть 1.1 Служебное назначение изделия и анализ по техническому требованию. Классификация сверл Сверление – распространенный метод получения отверстий в сплошном металле. Сверлением получают сквозные и несквозные (глухие) отверстия и обрабатывают предварительно полученные отверстия в целях увеличения их размеров, повышения точности и снижения шероховатости поверхности. Сверление осуществляют при сочетании вращательного движения инструмента вокруг оси – главного движения и поступательного его движения вдоль оси – движения подачи. Процесс резания при сверлении протекает в более сложных условиях, чем при точении. В процессе резания затруднены отвод стружки и подвод охлаждающей жидкости к режущим кромкам инструмента. При отводе стружки происходит трение ее о поверхность канавок сверла и сверла о поверхность отверстия. В результате повышаются деформация стружки и тепловыделение. По конструкции рабочей части бывают: Спиральные (винтовые) — это самые распространённые свёрла, с диаметром сверла от 0,1 до 80 мм и длиной рабочей части до 275 мм, широко применяются для сверления различных материалов. Рисунок 1.1 - Виды спиральных сверл Конструкции Жирова — на режущей части имеются три конуса с углами при вершине: 2φ=116…118°; 2φ0=70°; 2φ0=55°. Тем самым длина режущей 2 кромки увеличивается, и условия отвода тепла улучшаются. В перемычке прорезается паз шириной и глубиной 0,15D. Перемычка подтачивается под углом 25° к оси сверла на участке 1/3 длины режущей кромки. В результате образуется положительный угол γ≈5°. Плоские (перовые или пёрки) — используются при сверлении отверстий больших диаметров и глубин. Режущая часть имеет вид пластины (лопатки), которая крепится в державке или борштанге или выполняется заодно с хвостовиком. Свёрла Форстнера — усовершенствованная версия перового, с дополнительными резцами-фрезами. Для глубокого сверления (L≥5D) — удлинённые винтовые свёрла с двумя винтовыми каналами для внутреннего подвода охлаждающей жидкости. Винтовые каналы проходят через тело сверла или через трубки, впаянные в канавки, профрезерованные на спинке сверла. Конструкции Юдовина и Масарновского — отличаются большим углом наклона и формой винтовой канавки (ω=50…65°). Нет необходимости частого вывода сверла из отверстия для удаления стружки, за счет чего повышается производительность. Одностороннего резания — применяются для выполнения точных отверстий за счёт наличия направляющей (опорной) поверхности (режущие кромки расположены по одну сторону от оси сверла). Пушечные — представляют собой стержень, у которого передний конец срезан наполовину и образует канал для отвода стружки. Для направления сверла предварительно должно быть просверлено отверстие на глубину 0,5…0,8D. Ружейные — применяются для сверления отверстий большой глубины. Изготовляются из трубки, обжимая которую, получают прямую канавку для отвода стружки с углом 110…120° и полость для подвода охлаждающей жидкости. Кольцевые — пустотелые свёрла, превращающие в стружку только узкую кольцевую часть материала. Центровочные — применяют для сверления центровых отверстий в деталях. По конструкции хвостовой части бывают: цилиндрические, конические, четырёхгранные, шестигранные, трёхгранные, SDS. По способу изготовления бывают: - цельные — спиральные свёрла из быстрорежущей стали марок Р9, Р18, Р9К15, Р6М5 диаметром до 8 мм, либо из твёрдого сплава диаметром до 6 мм. - сварные — спиральные свёрла диаметром более 8 мм изготовляют сварными (хвостовую часть из углеродистой, а рабочую часть из быстрорежущей стали). - оснащённые твёрдосплавными пластинками — бывают с прямыми, косыми и винтовыми канавками (в том числе с ω=60° для глубокого сверления). 3 - со сменными твердосплавными пластинами — так же называются корпусными (оправку, к которой крепятся пласты, называют корпусом). В основном, используются для сверления отверстий от 12 мм и более. - со сменными твердосплавными головками — альтернатива корпусным сверлам. A — по металлу; B — по дереву; C — по бетону; D — перовое сверло по дереву; E — универсальное сверло по металлу или бетону; F — по листовому металлу; G — универсальное сверло по металлу, дереву или пластику. Хвостовики: 1, 2 — цилиндрический; 3 — SDS-plus; 4 — шестигранник; 5 — четырёхгранник; 6 — трёхгранник; 7 — для шуруповёртов. Рисунок 1.2 - Виды свёрл По форме обрабатываемых отверстий бывают: цилиндрические, конические. По обрабатываемому материалу бывают: универсальные, для обработки металлов и сплавов, для обработки бетона, кирпича, камня — имеет наконечник из твёрдого сплава, предназначенный для бурения твёрдых материалов (кирпич, бетон) с ударно-вращательным сверлением; свёрла, предназначенные для обычной дрели, имеют цилиндрический хвостовик, для обработки стекла, керамики, для обработки дерева [35-39] 4 1.2 Геометрические параметры сверла Для изготовления быстрорежущих сверл применяют стали Р18, Р9, Р6М5. Сверла с цилиндрическим хвостовиком диаметром от 10 мм изготовляются сварными. Хвостовики сварных сверл изготовляются из стали 45 или 40Х. Твердость рабочей части быстрорежущих сверл должна быть НRС 62-64, а твердость лапок у сверл с коническим хвостовиком - НRС 30-45. Геометрическими параметрами режущей части сверла являются: задний угол α, передний угол γ, углы при вершине 2φ и 2φ0 и угол наклона поперечной кромки ψ (рисунок 1.3 ). Величина заднего угла изменяется вдоль режущей кромки. Наименьшее значение (7-15о задний угол имеет у наружной поверхности сверла, а наибольшее (20-26о) - около поперечной режущей кромки. Величина переднего угла в разных точках режущей кромки неодинакова: наибольшее значение (25-30о) угол имеет у наружной поверхности сверла, а наименьшее около поперечной кромки, где он может быть и отрицательным [1]. 1 - передняя поверхность; 2 - задняя поверхность; 3 - ленточка; 4 - поперечная кромка; 5 - канавка; 6 - режущие кромки; 2φ - угол при вершине; ω - угол наклона винтовой канавки; ψ - угол наклона поперечной кромки Рисунок 1.3 - Части и элементы спирального сверла Конусность режущей части сверла определяется углом 2φ при его вершине, образуемым главными режущими кромками. От величины угла (φ зависят форма режущей кромки, передний и задний углы, прочность сверла у перемычки и сила резания. При правильной заточке сверла угол наклона поперечной режущей кромки ψ равен 5о (рисунок 1. 4).Для повышения стойкости свер5 ла и скорости резания рекомендуется двойная заточка под углом 2φ и 2φо (рисунок 1.4). Рисунок 1.4 - Геометрические параметры спирального сверла Спиральные сверла могут быть и твердосплавные. Сверла диаметром от 1,8 до 5,2 мм через 0,05 мм изготовляются монолитными из твердых сплавов марок ВК6, ВК8М, а свыше 6 мм – оснащаются пластинками твердого сплава. Для изготовления корпусов твердосплавных сверл рекомендуют стали марок 40Х и 45Х. Твердость рабочей части корпусов после термообработки должна быть НRС 40-50. В настоящее время выпускают сверла новых конструкций: с прокатанными отверстиями для охлаждения, с пластмассовыми хвостовиками, монолитные твердосплавные. Для улучшения качества выпускаемых сверл диаметром свыше 30 мм предусмотрено их изготовление с двойным углом при вершине (с двойной заточкой) и подточкой перемычки.[1] 1.3 Выбор марки стали Первая быстрорежущая сталь (сталь Мушета с 2 % С; 7 % “1 и 2,5 Мп) была предложена в 1868 году. Однако, она не показала высокой теплостойкости и режущих свойств из - за несовершенного режима термообработки. Быстрорежущая сталь, близкая к современной стали Р18 и режимы ее термообработки, были предложены в 1902 г. В течение длительного времени сталь Р18, созданная в 1922 году была единственной универсальной быстрорежущей сталью, применяемой при обработке различных металлов. До конца 60-х годов основной маркой быстрорежущей стали, производимой отечественной промышленностью, была сталь Р18. Производство стали данной марки составляло около 85 % от общего объема изготавливаемых быстрорежущих сталей. В 70-х годах в целях экономии дефицитного вольфрама были разработаны вольфрамомолиб6 деновые стали типа Р6М5. Наметилась тенденция снижения содержание вольфрама в быстрорежущих сталях с 16,5 % до 7,5 % при росте среднего содержания молибдена с 0.6 до 4 % (см. рис. 2.1). [9] Вольфрамомолибденовые стали намного дешевле вольфрамовых. В соответствии с ценами на мировом рынке, если принять стоимость стали Р6М5 за 100 %, стоимость сталей Р12 и Р18, составляет 120 и 170 %, соответственно. Основными легирующими элементами являются вольфрам, молибден, ванадий. Все быстрорежущие стали легируют хромом, некоторые - кобальтом, при этом важным компонентом является углерод. Содержание углерода колеблется в пределах 0,7-0,95 %. Больше углерода в этих пределах устанавливают в сталях с повышенным содержанием ванадия. Повышение содержания углерода на 0,2 % по сравнению с принятым (при условии, что содержание ванадия сохраняется до 2 %) не изменяет температуры начала [1-7] превращения. Оно сопровождается ростом количества карбида М6С и более легко растворимого карбида М23С6 и увеличением в них концентрации углерода. Сталь при нагреве под закалку получает аустенит более богатый углеродом, что усиливает дисперсионное твердение при отпуске, повышая вторичную твердость до НRС 65-66 и несколько меньше теплостойкость. Износостойкость при этом возрастает преимущественно в результате повышения твердости отпущенного мартенсита. Рисунок 1.5 - Современные быстрорежущие стали (полоса на диаграмме отвечает суммарному содержанию W+1‚5Мо = 12-13) Стали Р9 и Р18 по красностойкости примерно равноценны. Сталь Р18 дороже, так как она содержит 18 % W, в то время как в стали Р9 содержание его вдвое меньше. Однако сталь Р9 сложнее в обработке, или, как говорят, менее технологична: она склонна к обезуглероживанию, перегреву и хуже шлифуется. 7 Сталь Р18 при одинаковой по сравнению со сталью Р9 теплостойкости и шлифуемости в то же время обладает меньшей карбидной неоднородностью и более высокой пластичностью. В связи с высокой стоимостью быстрорежущей стали инструмент с размером более 10 мм в сечении экономически более выгодно изготовлять сварным: режущую часть — из быстрорежущей стали, а хвостовую, т. е. державку, — из углеродистой стали 40—45 или низколегированной 40Х. Обе части соединяются с помощью стыковой сварки. Быстрорежущая сталь относится к высоколегированным сталям, и потому после прокатки или ковки охлаждение ее даже на спокойном воздухе вызывает повышение твердости. Это затрудняет обработку резанием при изготовлении инструментов. Для снижения твердости и подготовки структуры к закалке проводят отжиг. Хорошие результаты дает изотермический отжиг, который по сравнению с обычным, требует меньше времени и в то же время позволяет получить более однородную структуру. Прочность быстрорежущих стилей в основном зависит от состава и количества карбидов, а также от сечения проката или поковок. У многих быстрорежущих сталей она очень высокая и при закалке с температур, сохраняющих мелкое зерно и малых сечениях составляет при 20 °С 3000-4000 МПа. С увеличением сечения проката (поковок) прочность снижается из-за усиливающейся карбидной неоднородности. Вязкость быстрорежущих стилей в присутствии большого количества карбидов и интенсивного развития дисперсионного твердения при отпуске находится в пределах 1-4, реже 5 кГс.м/см2, что ниже, чем у многих полутеплостойких сталей с высоким сопротивлением пластической деформации и меньшим количеством карбидов. Условный порог хладноломкости у быстрорежущих сталей высокий:250-300 °С, поэтому их прочность и вязкость ворастают при нагреве до 350-400 °С. При более высоком нагреве прочность снижается, а вязкость возрастает из-за наступающего разупрочнения. Предел выносливости быстрорежущих сталей ниже, чем у нетеплостойких сталей с меньшим количеством карбидной фазы. Модуль упругости быстрорежущих сталей Е несколько выше, чем у не теплостойких и штамповых сталей из-за влияния карбидов и составляет для стали Р18 - 230-240.103 МПа. Предел упругости быстрорежущих сталей, имеющих высоколегированный твердый раствор, выше, чем у нетеплостойких сталей. Они сочетают теплостойкость (600-700 °С) с высокой твердостью (НRС 63-70) и имеют повышенное сопротивление пластической деформации [6-9, 12]. Материал для инструмента выбирается с обязательным учетом: 1) условий эксплуатации, а именно: - характера приложения нагрузки (статическая, динамическая, знакопостоянная, знакопеременная, контактная и т. д.) и ее максимальной величины; - характера напряжений; - температурных условий работы; - наличия агрессивной среды; 8 - типа трения. 2) механических свойств и в первую очередь сочетания высоких пределов усталости и циклической вязкости, обеспечивающих надежную и длительную работу данного изделия. 3) технологических и структурных особенностей: - закаливаемости и прокаливаемости в рабочих сечениях; - устойчивость аустенита в процессах теплового воздействия и характера превращений; - склонность к обезуглероживанию, окислению и росту зерна при длительном нагреве; - обрабатываемости на различных стадиях формообразования. 4) особенностей конструкции обеспечивающих коробление и противодействие к образованию трещин. 5) экономических соображений: - стоимости; - минимального содержания легирующих элементов; - необходимости селектирования отдельных элементов; - условий поставки в соответствии с ГОСТами или отраслевыми нормативами. Теплостойкие стали высокой твердости (или их часто называют быстрорежущими сталями) занимают особое место среди большой группы инструментальных сталей, применяемых для изготовления инструмента для обработки металлов резанием и давлением, а также для упрочнения поверхностных слоев с помощью наплавки. Быстрорежущие стали различают умеренной, повышенной и высокой теплостойкости. Теплостойкость первых составляет 600-615 оС , наиболее характерными легирующими элементами являются вольфрам и молибден. Характерными представителями этой группы являются стали Р18, Р12 и вольфрамомолибденовая сталь Р6М5. Стали повышенной теплостойкости имеют высокое содержание ванадия, углерода (азота), их дополнительно легируют кобальтом, что позволяет повысить теплостойкость до 650 °С. Влияние вольфрама на структуру и большинство свойств не пропорционально его содержанию в теплостойких сталях. Удовлетворительные вторичная твердость и теплостойкость создаются уже при 7-8 % W. При увеличении содержания вольфрама до 12-13 % возрастает количество карбида М6С, вследствие чего заметно улучшается устойчивость против перегрева. При увеличении содержания вольфрама до 18-20 %возрастает параметр решетки М6С, что свидетельствует о росте концентрации вольфрама в карбиде и увеличении в его решетке числа мест, зaмещаемых атомами вольфрама. Размеры карбидных частиц сильно увеличиваются с повышением содержания вольфрама до 18-20 %. Кобальт используется для дополнительного легирования быстро-режущей стали с целью повышения теплостойкости. Кобальт в основном находится в твердом растворе и частично входит в состав карбида М6С.По мнению некото9 рых исследователей кобальт может образовывать интерметаллиды типа (Со, Fе)7(W,Мо)6 - Кобальт увеличивает устойчивость против отпуска и твердость быстрорежущих сталей (до НRС 67-70). Однако кобальт снижает характеристики прочности, вязкости стали, увеличивает обезуглероживание. Содержание остаточного аустенита после закалки в сталях с кобальтом возрастает до 40 % по сравнению с 25 % для сталей при его отсутствии. Главной причиной, сдерживающей широкое применение кобальтовых сталей, является дефицитность и высокая стоимость кобальта. Теплостойкость несколько может быть улучшена дополнительным легированием малыми количествами (0,1-0,2 %) сильных карбидообразующих, таких, как, ниобий, цирконий и титан, из-за вызываемого ими снижения температур превращения. Легирование не карбидообразующими никелем или марганцем значительно ухудшает теплостойкость. С увеличением содержания никеля с 0,4 до 1 и 2 % температура начала превращения стали с 9 % W, 4 % Cr, 2 % V и 0,9 % С понижается с 830 до 800 и 730 оС соответственно. В присутствии никеля (марганца) намного возрастают количество и устойчивость остаточного аустенита. Введение бора немного повышает вторичную твердость, но резко снижает ковкость. Незначительно повышает теплостойкость легирование 0,1 % Се и другими редкоземельными металлами. Химический состав и свойства быстрорежущих сталей регламентируются ГОСТ 19265-73. В таблице 1.1 приведены сведения об основных марках быстрорежущих сталей. Таблица 1.1 – Химический состав и свойства быстрорежущих сталей (масс. %) Марка Содержание основных элементов Режим т.о. HRC, Теплостали не стой C Cr W Mo V Co,N tзак., tот., менее кость °С °С Р9 0.85- 3.8- 8.5- ≤1.0 1.7- 1220- 550- 62 620 0.95 4.4 10.0 2.1 1240 570 Р18 0.7- 3.8- 17.0- ≤1.0 1.0- 1270- 550- 62 620 0.8 4.4 18.5 1.4 1290 570 Р6М5 0.82- 3.8- 5.5- 5.0- 1.7- 1210- 540- 64 620 0.90 4.4 6.5 5.5 2.1 1230 560 *Во всех сталях Mn ≤0.5 % , Si ≤0.5% , Ni ≤0.4% , S ≤0.025-0.030 %,P 0.0300.035% 10