ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Наибольшее влияние на эффективность процессов механической обработки резанием оказывает совершенствование свойств инструментальных материалов.

Эксплуатация современного дорогостоящего автоматизированного оборудования, управляемого от ЭВМ, характеризуется резким ростом стоимости станкоминуты, ужесточением условий эксплуатации режущего инструмента, увеличением расхода инструментального материала и затрат на инструмент, составляющий в ряде случаев до 10—15 % (а при многоинструментальных наладках на многошпиндельных станках, а также при применении дорогого инструмента до 50 %) расходов на механообработку. Таким образом, повышение режущих свойств инструмента при высокой вероятности его безотказной работы (высокой эксплуатационной надежности), интенсификация резания являются важнейшими резервами повышения эффективности автоматизированных металлообрабатывающих производств.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ К ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ

В процессе выполнения своих функций контактные площадки инструмента подвергаются интенсивному воздействию высоких контактных напряжений и температур, значения которых имеют переменный характер, а взаимодействие с обрабатываемым материалом и реагентами из окружающей среды приводит к протеканию интенсивных физико-химических процессов (адгезии, диффузии, окисления и коррозии).

Для того чтобы режущий клин инструмента, не деформируясь, мог срезать слой обрабатываемого материала, твердость инструментального материала HV_имдолжна значительно превосходить твердость обрабатываемого материала HV_ом. Отсюда одним из основных требований, предъявляемых к инструментальному материалу, является его высокая твердость. Однако увеличение твердости HV_им, как правило, приводит к увеличению хрупкости, снижению трещиностойкости и вязкости.

Также желательным требованием к инструментальному материалу наряду с механической прочностью на сжатие и изгиб является высокая сопротивляемость разрушению при знакопеременном нагружении (высокий предел выносливости).

В процессе резания контактные площадки инструмента подвергаются высокому температурному воздействию (до 800—1000 °С), что может привести к температурному разупрочнению и потере твердости инструментального материала. Поэтому следующим требованием к инструментальному материалу является его способность сохранять свою твердость и прочностные характеристики при повышенных температурах, соответствующих температурам резания. Такое свойство инструментального материала называют теплостойкостью.

Другим важным свойством инструментального материала является его способность сопротивляться удалению собственных частиц при контактном взаимодействии с обрабатываемым материалом. Это свойство, называемое износостойкостью, не является независимым.

Наряду с требованиями к физико-механическим и теплофизическим свойствам инструментального материала необходимым условием достижения достаточно высоких режущих свойств инструмента является низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального материала (геометрические и структурные особенности кристаллического строения, теплофизические свойства, структурные и термодинамические особенности фазового состава и т.д.) должны существенно отличаться от соответствующих свойств обрабатываемого материала. Степень такого отличия сильно влияет на интенсивность физико-химических процессов (адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы) и изнашивание контактных площадок инструмента.

На рис. 7.1 представлена классификация современных инструментальных материалов.

Рис. 7.1. Классификация инструментальных материалов по их основным свойствам

Анализ основных направлений совершенствования инструментальных материалов (см. рис. 7.1) показывает, что они связаны с ростом твердости, теплостойкости, износостойкости при снижении прочностных характеристик, вязкости и трешиностойкости. Эти тенденции не соответствуют идее создания инструментального материала с «идеальными» свойствами, в котором бы оптимально сочетались свойства по твердости, теплостойкости, ударной вязкости, трещиностойкости и прочности.

Решение проблемы создания инструментального материала с «идеальными» свойствами должно быть связано с разработкой композиционного инструментального материала, у которого высокие значения поверхностной твердости, теплостойкости, физико-химической инертности сочетались бы с достаточными значениями прочности при изгибе, ударной вязкости, предела выносливости.

Наиболее эффективными путями формирования требуемых свойств приповерхностных слоев инструментального материала без изменения заданных значений свойств, проявляющихся в геометрическом теле инструмента, являются применение современных методов механического (поверхностное пластическое деформирование — ППД), химико-термического (ХТО) и физико-химического (ФХО) упрочнения, нанесение износостойких покрытий и комбинированной поверхностной обработки, сочетающих методы ППД, ХТО, ФХО.