Введение - KazNTU SANDYK

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