РЕЗЦЫ И СМЕННЫЕ МНОГОГРАННЫЕ ТВЕРДОСПДАВНЫЕ ПЛАСТИНЫ ДЛЯ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ
Основным направлением развития технологических процессов в металлообработке в настоящее время является повышение производительности и гибкости. Это связано со значительным ростом номенклатуры деталей в средне- и мелкосерийном производстве и необходимостью автоматизировать их производство. Для достижения этой цели необходимо применять инструмент, отличающийся следующими качествами:
- высокая надежность при работе с интенсивными режимами резания;
- быстросменность;
- высокий уровень унификации элементов и агрегатов;
- переналаживаемость;
- относительно низкая стоимость.
Всем этим требованиям отвечает инструмент со сменными многогранными твердосплавными пластинами (СМТП), который все более вытесняет традиционный с напайными пластинами. Применение СМТП дает ряд преимуществ:
- значительное увеличение срока службы державки резца;
- максимальная унификация и взаимозаменяемость составных элементов, сокращение номенклатуры режущих пластин;
- исключение из производственного процесса трудоемких операций пайки и заточки;
- сокращение времени смены режущих кромок резцов;
- возможность автоматизации замены инструмента и его отдельных частей без дополнительной настройки за счет высокой точности изготовления СМТП;
- получение стружки нужных форм и размеров за счет правильного выбора типа стружечной канавки, что особенно важно в автоматизированном производстве;
- сокращение расхода дорогих твердых сплавов и увеличение их возврата при утилизации до 90%;
- возможность повышения режимов обработки при сохранении качества обрабатываемой поверхности за счет использования пластин с износостойким покрытием;
- снижение сил и температур резания на 20-40%.
Резцы для токарных работ на станках с ЧПУ.
Токарные резцы предназначены для выполнения всего многообразия различных операций на станках с ЧПУ, на ГПМ и ГПС, а также на станках токарной группы с ручным управлением.
Отличия токарных резцов по назначению.
По назначению система токарных резцов подразделяется на следующие подсистемы:
- для наружного точения, растачивания, нарезания резьбы, прорезания канавки, отрезания на станках легких и средних серий;
- для работ на тяжелых, крупных токарных и карусельных станках;
- для работ на ГПМ, многоцелевых станках со встроенными роботизированными комплексами автоматической смены инструмента;
- для специальных работ.
Каждая из подсистем имеет свои специфические особенности, обусловленные многими факторами и в первую очередь конструкцией оборудования, его технологическим назначением и т.д. Система резцов базируется на общих методологических принципах и предусматривает:
- разработку и унификацию надежных методов закрепления сменных пластин в державке;
- обеспечение удовлетворительного дробления и отвода, стружки из зоны резания;
- достаточно высокую точность позиционирования вершин сменных пластин;
- быстросменность и удобство съема и замены сменных пластин, режущего элемента или кассеты;
- унификацию и максимально допустимое сокращение числа методов закрепления пластин в державке;
- возможность использования всей гаммы и размеров сменных пластин отечественного и зарубежного производства;
- соответствие точностных параметров резцов международным стандартам;
- обязательность применения специальных деталей крепежа повышенной точности и надежности, разработка новых форм и размеров режущих пластин, форм их передних поверхностей, обеспечивающих удовлетворительное дробление и отвод стружки;
- использование опыта новаторов и изобретателей;
- применение прогрессивных ресурсосберегающих технологий изготовления деталей крепежа, ключей; технологичность и экономичность изготовления;
- возможность применения составных твердосплавных пластин с блоками инструмента в случаях несомненной их технико-экономической эффективности или невозможности конструкторского решения резца в сборном варианте.
Подсистемы конструкций резцов созданы на основе общепринятой мировой практикой системы форм державок и углов в плане для обеспечения всех операций точения.
Базовые схемы резцов.
В подсистемах для наружного точения и растачивания на станках легких и средних серий приняты четыре базовые схемы конструкции узлов крепления СМТП (обозначение креплений по ГОСТ 26476-85):
- без отверстия прихватом (тип С);
- с цилиндрическим отверстием рычажным механизмом (тип Р);
- штифтом и прихватом (тип М);
- с тороидальным отверстием винтовым механизмом (тип S).
Пластины без отверстия закрепляют по методу С. Для наружного точения и растачивания в резцах с закреплением по методу С используют квадратные, трехгранные, ромбические СМТП, а также параллелограммные пластины типа KNUX с креплением специальным фигурным прихватом.
СМТП с центральным цилиндрическим отверстием закрепляют рычажным механизмом по методу Р и модернизированным клиновым креплением (клин-перехватом) по методу М. Закрепление рычажным механизмом является наиболее рациональным для резцов сечением державок от 20х20 до 40х40 мм. Эту конструкцию эффективно, применяют на станках с ЧПУ.
Подсистема резцов для станков с ЧПУ.
Для выполнения одним резцом предварительных и окончательных операций, в первую очередь на универсальных станках с ручным управлением, разработана гамма резцов с модернизированным клиновым креплением СМТП клин-прихватом (метод М). При таком закреплении СМТП остается открытой вспомогательная режущая кромка.
Разработана также подсистема токарных отрезных и канавочных резцов для станков с ЧПУ и ГПМ, в которую включены следующие резцы:
- Резцы отрезные державочные с механическим креплением сменных неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин. Резец состоит из державки, неперетачиваемой однокромочной режущей пластины и подпружиненного прихвата. Геометрические параметры режущей части обеспечивают хороший отвод стружки из зоны резания, что особенно важно при обработке заготовок из вязких материалов.
- Отрезные пластинчатые резцы с механическим креплением сменных неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин предназначены для выполнения операций отрезки, в первую очередь на универсальных станках с ручным управлением. Резец состоит из блока, закрепленного в резцедержателе станка, пластинчатой державки и неперетачиваемой двухкромочной режущей пластины, которая закрепляется упругим лепестком державки. Форма передней поверхности режущих пластин обеспечивает удовлетворительное стружкообразование и хороший отвод стружки при обработке заготовок из различных сталей в широком диапазоне подач.
- Канавочные державочные резцы с механическим креплением сменных перетачиваемых твердосплавных режущих пластин предназначены для работы на универсальных станках и станках с ЧПУ. Их используют в первую очередь для прорезания канавок точных размеров. В качестве режущего элемента используют твердосплавные пластины.
- Канавочные резцы с механическим креплением сменных неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин состоят из державки, двукромочной режущей пластины и зажимочного винта с шайбой. Наличие на режущей пластине двух режущих кромок обеспечивает экономию твердого сплава. Форма передней поверхности режущих пластин обеспечивает удовлетворительное стружкообразование и хороший отвод стружки в широком диапазоне подач. Представленная номенклатура резцов обеспечивает возможность выполнения всех видов отрезных и канавочных операций.
Для нарезания резьбы на токарных станках используют резцы с напаянными твердосплавными пластинами по ГОСТ 18885-73 и с механическим креплением твердосплавных пластин. Конструкция резца с механическим креплением перетачиваемых пластин аналогична конструкции канавочного резца для прорезания прямых канавок, отличие лишь в заточке режущей пластины. В резцах с механическим креплением неперетачиваемой режущей пластины ромбической формы требуемая геометрия режущей части пластины обеспечивается прессованием и спеканием. Шаг нарезаемой резьбы находится в пределах от 2,5 до 6,0 мм.
Подсистема резцов широкого назначения для обработки на тяжелых и крупных токарных, токарно-карусельных и вальцетокарных станках, в том числе на станках с ЧПУ.
Такие резцы могут быть использованы и для другого тяжелого металлорежущего оборудования. В подсистему входят сборные резцы для чернового, получистового и чистового точения заготовок из стали, чугуна и других материалов любой твердости с глубиной резания при обдирке до 50 мм и подачей до 10 мм/об. Резцами выполняют обтачивание, подрезку, растачивание больших диаметров, прорезку и отрезку, обработку переходных поверхностей. Подсистема состоит из нескольких групп:
- ТТО для тяжелых токарных станков с наибольшим диаметром устанавливаемой заготовки 1250 – 4000 мм и для карусельных станков с наибольшим диаметром устанавливаемой заготовки 3200 – 12000 мм, имеющих обычные резцедержатели;
- ТТП для тяжелых токарных станков с пластинчатым резцедержателями станков с ЧПУ;
- КТО для крупных токарных станков с наибольшим диаметром устанавливаемой заготовки 800 – 1000 мм, имеющих стандартные токарные резцедержатели, и карусельных станков с наибольшим диаметром устанавливаемой заготовки 1600 – 2800 мм.
Инструментальные материалы.
Режущие инструменты изготовляют целиком или частично из инструментальных сталей и твердых сплавов. Инструментальные стали разделяют на углеродистые, легированные и быстрорежущие.
Углеродистые инструментальные стали применяют для изготовления инструмента, работающего при малых скоростях резания. Из углеродистой стали марок У9 и У10А изготовляют ножи, ножницы, пилы, из У11, У11Ф, У12 – слесарные метчики, напильники и др. Основными свойствами этих сталей является высокая твердость (HRC 62-65) и низкая теплостойкость.
Легированные инструментальные стали бывают хромистыми (Х), хромистокремнистыми (ХС) и хромовольфрамомарганцовистыми (ХВГ) и др. Теплостойкость легированных инструментальных сталей достигает 250-260ºС и поэтому допустимые скорости резания для них в 1,2-1,5 раза выше, чем для углеродистых сталей.
Быстрорежущие (высоколегированные) стали применяют для изготовления различных инструментов, но чаще сверл, зенкеров, метчиков. Быстрорежущие стали обозначают буквами и цифрами, например Р9, Р6М3 и др. Эти группы быстрорежущих сталей отличаются по свойствам и областям применения. Стали нормальной производительности, имеющие твердость до HRC 65, теплостойкость до 620 ºС и прочность на изгиб 3000 – 4000 МПа, предназначены для обработки углеродистых и низколегированных сталей с пределом прочности до 1000 МПа, серого чугуна и цветных металлов. К сталям нормальной производительности относят вольфрамовые марок Р18, Р12, Р9, Р9Ф5 и вольфрамо-молибденовые марок Р6М3, Р6М5, сохраняющие твердость не ниже HRC 62 до температуры 620 ºС. Быстрорежущие стали повышенной производительности, легированные кобальтом или ванадием, с твердостью до HRC 73 – 70 при теплостойкости 730 – 650 ºС и с прочностью на изгиб 250 – 280 МПа предназначены для обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов с пределом прочности свыше 1000 МПа, титановых сплавов и др.
Твердые сплавы делят на металлокерамические и минералокерамические. Их выпускаю в виде пластинок разной формы. Инструменты, оснащенные пластинками из твердых сплавов, позволяют применять более высокие скорости резания, чем инструменты из быстрорежущей стали.
В процессе резания контактные участки режущей пластины подвергаются интенсивному силовому, тепловому и физико-химическому воздействию. В связи с этим к материалу СМТП предъявляется ряд требований, основными из которых являются:
- высокая твердость;
- высокая теплостойкость;
- высокая прочность;
- высокая износостойкость при повышенной температуре;
- низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому;
- высокая технологичность.
Основным материалом для СМТП являются твердые сплавы, которые получают методами порошковой металлургии. Основными компонентами таких сплавов являются карбиды вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC и ниобия NbC, мельчайшие частицы которых соединены посредством сравнительно мягких и менее тугоплавких связок из кобальта или никеля в смеси с молибденом.
Твердые сплавы по химическому составу подразделяются на:
- вольфрамокобальтовые (ВК), включающие в себя 97 – 88 % карбида вольфрама, 3 – 10 % кобальта и до 2 % карбида тантала.
- титановольфрамокобальтовые (ТК), состоящие из трех основных фаз – твердого раствора карбидов титана и вольфрама (TiC-WC), карбида вольфрама (WC) и кобальтовой связки. По сравнению со сплавами группы ВК они обладают большей стойкостью к окислению, твердостью и жаропрочностью и в то же время меньшими теплопроводностью и электропроводностью, а также модулем упругости.
Вольфрамовые и титановольфрамовые твердые сплавы сохраняют твердость при температуре в зоне обработки 800 – 950 ºС, что позволяет работать при высоких скоростях резания (до 500 м/мин при обработке сталей и 2700 м/мин при обработке алюминия).
- титанотанталовольфрамокобальтовые (ТТК) на основе TiC-WC-TaC-Co состоят из трех основных фаз: твердого раствора карбидов титана, вольфрама и тантала (TiC-TaC-WC), а также карбида вольфрама (WC) и кобальтовой связки. Введение в сплавы добавок карбида тантала улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности при изгибе при температуре 20 ºС и 600 – 800 º С, позволяет получить более высокую твердость, в том числе и при 600 – 800 ºС.
- безвольфрамовые (БВТС) на основе карбидов и карбонитридов титана с никельмолибденовой связкой; по твердости они находятся на уровне вольфрамокобальтовых сплавов, по прочностным характеристикам и, особенно по модулю упругости, им уступают. БВТС имеют низкую окисляемость.
- минералокерамические материалы, основной частью которых является оксид алюминия с добавкой относительно редких элементов: вольфрама, титана, тантала и кобальта распространена оксидная (белая) керамика марок ЦМ-332, ВО13 и ВШ-75. Она отличается высокой теплостойкостью (до 1200 ºС) и износостойкостью, что позволяет обрабатывать металл на высоких скоростях резания (при чистовом обтачивании чугуна до 3700 м/мин), которые в 2 раза выше, чем для твердых сплавов.
Особенности CVD- и PVD-методов нанесения покрытий.
Для повышения прочности пластин из твердого сплава применяют плакирование их защитными пленками. Широко применяют износостойкие однослойные и многослойные покрытия, которые осаждают из газовой фазы на рабочие поверхности пластин (подложку) методами CVD (метод химического осаждения – Chemical Vapour Deposition) и PVD (метод физического осаждения – Physical Vapour Deposition).
Метод CVD практически не имеет ограничений по химическому составу покрытий. Состав покрытия зависит от комбинации материалов и параметров процесса.
Для снижения негативного воздействия на свойства твердого сплава высокой температуры (до 1100 °С), при которой наносят CVD-покрытия, используют метод MT-CVD (так называемый среднетемпературный метод) нанесения покрытий при температурах около 800 °С, который обеспечивает уменьшение снижения вязкости и повышение износостойкости покрытия. Методом CVD наносят, в основном, покрытия TiN, TiCN (заменившие TiC) и Al2O3.
Выбор марки сплава пластин, наличия покрытия, его состава и метода нанесения; геометрии пластин, зависит главным образом от следующих факторов:
- обрабатываемый материал;
- вид обработки;
- тип операции;
- режимы резания;
- характеристика оборудования.
Данная статья является ознакомительной и несет в себе минимум информации.
Подробный вариант статьи с иллюстрациями с обзором твердосплавного режущего инструмента для токарной обработки корпорации ZCC CT – «Резцы и СМТП. Классификация и применение. Обзор инструмента корпорации ZCC CT».
