Лазерная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента

Лазерная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента

Этот цикл операций не требует больших затрат, но в настоящее время становится одним из наиболее важных. Называют его упрочнением инструмента или облагораживанием режущих лезвий. Ни одно из названий не отражает в полной мере сущность процессов, при которых на поверхности уже готового инструмента перед его использованием наносятся тонкие пленки других материалов или эти поверхности насыщаются некоторыми химическими элементами. В результате изменяются физико-механические свойства поверхностных слоев инструмента, что в несколько раз увеличивает его стойкость или обеспечивает возможность повышения производительности обработки за счет увеличения скоростей резания.

В настоящее время известно достаточно много методов повышения режущей способности путем изменения физико-механических свойств поверхностных и подповерхностных слоев материала инструмента. По технологии производства их можно объединить в следующие группы:

1. нанесение износостойких покрытий;
2. нанесение антифрикционных покрытий;
3. гальванические методы;
4. химические методы;
5. химико-термические методы;
6. физические методы;
7. физико-термические методы;
8. механические методы;
9. термомеханические методы;
10. доводка и заточка;
11. метод электроискрового упрочнения и наращивания инструмента

Все они достаточно широко применяются в промышленности, особенно нанесение износостойких покрытий, химико-термические и механические методы. Повышение режущей способности инструментов возможно несколькими методами одновременно или последовательно для получения наибольшего эффекта.

Пока нет обобщающих работ о природе влияния этих методов на механизм изнашиваемости инструментов, а поэтому нет конкретных научно обоснованных рекомендаций по их выбору. Рассмотрим данные методы и их эффективность раздельно и упомянем лишь о том, что методы, повышающие твердость и хрупкость поверхностных слоев, не следует применять для мелкоразмерных и мелкопрофильных инструментов по причине их недостаточной исходной прочности.

1. Нанесение износостойких покрытий

Нанесение таких покрытий получило широкое распространение как у изготовителей инструмента, так и у его потребителей. Существует ряд способов: электроискровой (самый старый), плазменный, детонационный и др. Наиболее широко применяются газофазное осаждение (ГТ) и катодное напыление с ионной бомбардировкой (КИБ) некоторых материалов на рабочие поверхности инструментов.

С помощью газофазного метода наносят пленку карбида титана, толщиной 3 – 10 мкм. Процесс протекает в специальных камерах, где из газовой фазы при температуре 1000 – 1100 °С на поверхности детали осаждается карбид титана. Высокая температура ограничивает область применения метода нанесением только покрытий на твердый сплав. Стойкость инструмента увеличивается в три раза, однако на 30 – 40 % понижается прочность основы.

Метод катодного напыления основан на нанесении тонких пленок карбидов, нитридов, окислов металлов IV – VI групп таблицы Менделеева на поверхность изделия в вакууме (1,33*10 7 – 1,33*10 9 Па). Сущность процесса состоит в том, что под действием напряжения между анодом (изделием) и катодом (металлом-испарителем) металл с катода испаряется, образуя ионное поле. Инструмент нагревается до температуры 300 – 600 °С. При прокачке через камеру азота или другого газа, содержащего азот, ионы испарившегося металла (титана, молибдена), взаимодействуя с ионами азота, образуют нитриды и осаждаются на поверхность анода, создавая тонкую пленку толщиной 2 – 12 мкм. При наличии нескольких испарителей из различных металлов можно чередовать их работу, нанося слои различных покрытий разной толщины и создавая таким образом многослойное покрытие, прочно сцепляющееся с основой и имеющее на поверхности материал с высокой абразивной стойкостью. Известны самые различные комбинации покрытий: TiC+ TiN, TiC + TiN + Аl₂О₃ и др. Число слоев может достигать 13 и более. Многослойные покрытия более эффективны в некоторых конкретных условиях применения. Поскольку температура процесса не очень высокая, метод приемлем для нанесения покрытий на инструменты из быстрорежущей стали, стойкость которых после однослойного покрытия нитридами титана повышается в 1,5 – 5,0 раз, в зависимости от вида инструмента, материала обрабатываемой детали и режима резания. Качество покрытия, прочность его сцепления с основой зависят от качества подготовки поверхности под покрытие, в основном от обезжиривания, для которого используется ультразвук и такие компоненты, как тринатрийфосфат, кальцинированная сода, дистиллированная вода и даже этиловый спирт. Сильно влияют на качество покрытия чистота исходных материалов (газов, испарителей) и точность поддержания температуры.

Существует ряд разновидностей процесса и созданных на их основе установок. К их числу относятся установки типа «Булат», «Пуск», «Юнион», «Мир» и др.

Износостойкость покрытий – только часть причин повышения стойкости инструмента. Косвенным доказательством тому, о чем будет сказано ниже, является повышение стойкости омедненных инструментов. Более того, нанесение покрытий происходит при высоких температурах, при которых, как установлено, протекают изменения свойств приповерхностных и глубинных слоев материала инструмента, благоприятно влияющих на сопротивляемость изнашиванию. Поэтому нанесение износостойких материалов является как бы комбинированным методом повышения работоспособности инструмента, термическое упрочнение + износостойкое покрытие. При этом для каждых конкретных условий работы (обрабатываемый материал, скорость резания и др.) существует свое покрытие, оптимальное по воздействию.

По данным исследований износостойкость покрытий повышается почти в два раза после термомеханической обработки, заключающейся в механическом воздействии вращающейся металлической щетки на поверхностные слои пластины, подогретой до 300 – 500 °С.

Очень высокой эффективностью отличается алмазоподобное пленочное покрытие, наносимое при температуре 380 °С. Стойкость прорезных и отрезных фрез с таким покрытием повышается в 230 раз.

2. Нанесение антифрикционных покрытий

Эти покрытия мягче, чем материал основы, и выполняют функции твердых смазок, понижающих коэффициент трения и уменьшающих тем самым износ инструмента. Особенно полезны для инструментов, работающих в условиях повышенного трения, а именно, инструментов с малыми задними углами при обработке вязких металлов, склонных к налипанию на инструмент. Покрытия наносятся при комнатной температуре на подготовленные специальным способом рабочие поверхности инструмента. Для улучшения сцепления с основой инструменты подвергаются нагреву до 200 °С. Низкая температура позволяет применить эти способы для инструментов из любых режущих материалов.

В качестве материалов для покрытий используют сульфиды и фосфаты различных металлов, ангидрид молибдена, а также эпилам (фторсодержащее поверхностно-активное вещество 6МФК-180 или 6СФК-180-05). Наибольшее применение получили дисульфид молибдена МоS₂, никель-фосфорное покрытие NiP и эпилам. Стойкость инструментов с такими покрытиями в 1,5 – 6,0 раз выше, чем без них, особенно инструментов с малыми задними углами.

В случае никель-фосфорного покрытия на поверхности инструмента наносится слой химически восстановленного никеля, обладающий высокой твердостью, что наряду с создаваемым диффузионным барьером способствует дополнительному повышению стойкости инструмента.

ЛАЗЕРНОЕ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕ

Среди различных способов повышения износостойкости деталей (легирование, закалка ТВЧ, объемная и плазменная закалка, различные методы напыления и т.д.), особое место занимает технология лазерного термоупрочнения. Это связано с уникальностью свойств лазерного луча как технологического инструмента, позволяющего создавать на локальной поверхности детали концентрацию тепловой энергии в широком диапазоне мощностей, что позволяет обеспечить контроль термических циклов нагрева и охлаждения поверхностных слоёв металла.

Процессы взаимодействия лазерного луча с различными материалами, механизмы структурофазовых изменений в зонах лазерного воздействия на сегодняшний день достаточно широко исследованы.

Особенности технологии лазерного термоупрочнения выгодно отличаются от других методов закалки:

• В отличие от классических процессов термоупрочнения, нагрев при лазерной закалке является не объемным, а локальным, поверхностным процессом, что минимизирует поводки и деформации обработанных деталей.
• Упрочнение лучом лазера осуществляется без оплавления поверхности – это исключает изменение шероховатости и необходимость в последующей механообработке (шлифовка, полировка и т.д).
• Термический цикл, при лазерном упрочнении, самый быстрый по сравнению с другими и составляет 0,1…0,5 с. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков в результате чего достигаются высокая твердость поверхности, высокая дисперсность и однородность структуры, уменьшение коэффициента трения, увеличение несущей способности поверхностных слоев.
• Высокая производительность данной технологии характеризуется автоматизацией процесса лазерного термоупрочнения и исключением необходимости термообработки всей детали, а лишь локальных участков подверженных износу.
• Отсутствие проблем прочности связи (адгезии) упрочненного слоя с основной массой детали, как, например, при использовании технологии напыления, наплавки и т.д.
• Возможность упрочнения поверхностей любой сложности и геометрии благодаря современному лазерному технологическому оборудованию.
• Возможность упрочнения и модифицирования поверхностей широчайшей номенклатуры материалов с повышением их эксплуатационных характеристик, что позволяет во многих случаях заменять дорогостоящие, сложнолегированные материалы, используемые часто с целью обеспечения необходимой износостойкости поверхностей, на более простые, дешевые и доступные с приданием им нужных эксплуатационных характеристик.

Области применения технологии лазерного термоупрочнения:

• в системе железнодорожного транспорта — это быстроизнашивающиеся поверхности надрессорных балок, боковых рам, колесных пар, автосцепок, различных валов и т.д.;
• в металлургии — поверхности прокатных валов разных типоразмеров, фильер, крупногабаритных нагруженных зубчатых колес и т.д.;
• в машиностроении и в станкостроении — изнашивающиеся поверхности направляющих станков и прессов, ходовых винтов и шлицевых валов, посадочных мест ступенчатых валов, поверхности трения муфт, штоков, рычагов, деталей насосов и т.д.;
• в сфере нефтегазодобычи и геологоразведки — поверхности резьбовых соединений труб, рабочих органов (коронок) буровых установок, деталей погружных насосов и т.д.;
• в инструментальном производстве — режущие кромки вырубных штампов, особенно крупногабаритных дорогостоящих с длительным циклом изготовления, поверхности штампов объемной холодной и горячей штамповки, режущих инструментов, ножей гильотинных и т.д.;
• в моторостроении (особенно мощных двигателей для судов и локомотивов) — поверхности шеек коленчатых валов, распредвалов, седел клапанов, гильз цилиндров и т.д.;
• в сфере производства, ремонта и эксплуатации дорожно-строительной техники — износостойкость и ресурс деталей гидроаппаратуры, ножей грейдерных и бульдозерных, бил роторов для дробления щебня, звездочек и натяжных колес гусеничных экскаваторов и тракторов, зубьев ковшей экскаваторов и т.д.;
• в стеклотарной отрасли — кромки и поверхности форм для литья стеклотары;
• в производстве газотурбинных двигателей — это поверхности лопаток и других быстроизнашивающихся деталей;
• в сфере производства, ремонта и эксплуатации сельскохозяйственной техники — это рабочие органы почвообрабатывающей техники (плужиных лемехов, дисков борон, ножей культиваторов);
• в оборонной промышленности, в частности, ресурс стволов артиллерийских установок;
• в сфере производства подшипников разных типоразмеров (прежде всего, крупных и особо крупных) для различных отраслей и условий эксплуатации и т.д.

«Кронштейн»
Сталь 38Х2Н2МА
Твердость после лазерного термоупрочнения 52-55 HRC.

Примеры практического лазерного упрочнения производственных деталей различного назначения

Процесс упрочнения эвольвенты зубьев ведущего вала-шестерни. Сталь 38ХНЗМФА. Твердость после лазерного термоупрочнения 56-59 HRC. (вес — 2,5т).

Процесс термоупрочнения фланца ротора. Сталь 40ХН2МА. Твердость 55-59

Шестерня второй ступени. Сталь 25 ХГТ. Твердость после лазерного термоупрочнения 55-59 HRC.

Погон. Диаметр 2869 мм. Сталь 0ХН3М. Твердость после лазерного термоупрочнения 55-57 HRC.

Кронштейн. Сталь 38ХН3МФА.
Твердость после лазерного термоупрочнения 53-56 HRC.

Остов кронштейна. Сталь 07Х3ГНМЮА.
Твердость после лазерного термоупрочнения 55-59 HRC

Матрица вырубного штампа. Сталь 9Х. Твердость после лазерного термоупрочнения 58-64 HRC

Упрочнение матрицы штампа вытяжного для ободов автомобильных колес. Сталь 9Х1. Твердость после лазерного термоупрочнения 55 — 60 HRC.

Процесс упрочнения рабочей кромки упора подвижного к муфте пусковой предохранительной МПП-2 установки погружного насоса для добычи нефти. Материал – сталь 45. Твердость послелазерного термоупрочнения – 59-62 HRC.

Лазерная закалка ротора турбины, сталь 40ХН2МА. Твердость после лазерного термоупрочнения: 56-59 HRC

Лазерная закалка «Плита каленая», сталь 9ХС. Твердость после лазерного термоупрочнения 60-62 HRC

Лазерная закалка детали «Поршень», материал ОХН3МФА, твердость после лазерного термоупрочнения 52-56 HRC (по требованию заказчика).

Лазерная закалка Вала, сталь 40ХН2МА. Твердость после лазерного термоупрочнения 51-55 HRC.

Лазерная закалка пресс матрицы, материал – 5140RH (аналог стали 40Х), твердость после лазерного термоупрочнения 55-59 HRC.

Полуформы для литья стеклотары, чугун СЧ-20. Твердость после лазерного термоупрочнения 50-52 HRC.

Лазерное упрочнение

Увеличение износостойкости готовых изделий одна из основных актуальных проблем в машиностроении. Одним из технологических решений является упрочнение поверхностного слоя изделия за счёт изменения его структуры. Упрочнение поверхности может быть достигнуто различными методами: химико-термическим, плазменным, лазерным , здесь мы рассмотрим лазерное упрочнение.

Физико-механические свойства поверхностных слоев, упрочненных лазерным излучением, связаны с высокими скоростями нагрева и охлаждения. Упрочнение материалов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка с высокой скоростью в результате теплоотвода тепла во внутренние слои металла. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков. В результате специфических тепловых процессов на поверхности обрабатываемых деталей возникает мелкодисперсная приповерхностная структура. На обрабатываемой детали образуется своеобразная скорлупа, с повышенными прочностными характеристиками.

Важнейшим преимуществом этой технологии является то, что поверхностное термоупрочнение на глубину 0,1 – 0,5 мм осуществляется за счет структурно-фазовых изменений поверхностных слоев исходного материала путем управляемого воздействия на обрабатываемую поверхность готовой детали лазерным излучением специализированного для этой технологии лазера без какой-либо наплавки, без оплавления поверхности, без нарушения макро- и микрогеометрии и, соответственно, без необходимости какой-либо последующей обработки. Широкое применение лазерная поверхностная обработка находит для повышения долговечности, надежности деталей различных машин и приборов во многих отраслях промышленности: химическом машиностроении, автомобильной промышленности, судостроении, авиастроении и т. д.

Применение

Лазерное упрочнение инструментальной оснастки и режущего инструмента

Наиболее широкая область применения лазерной поверхностной обработки — инструментальное производство, например изготовление и эксплуатация режущего инструмента, элементов штамповой оснастки.

Лазерное упрочнение позволяет снизить в 3—4 раза износ инструмента путем повышения его поверхностной твердости при сохранении общей высокой динамической прочности, повышения теплостойкости, снижения коэффициента трения пары режущий инструмент — заготовка. Упрочнение может проводиться по передней или задней поверхности, а также одновременно по двум поверхностям.

Внедрение технологии лазерного упрочнения инструмента из сталей с пониженным содержанием вольфрама позволяет помимо повышения его стойкости значительно сократить расход дефицитной быстрорежущей стали.

Лазерное упрочнение приводит к повышению износостойкости штампов в 2 раза и более. Упрочнение пуансонов обычно проводиться по боковым поверхностям. При этом возможна многократная переточка пуансонов. При упрочнении по передней поверхности после очередной переточки кромки требуется повторная лазерная обработка.

Эффективно применение лазерного излучения для повышения работоспособности породоразрушающего инструмента для машин горнодобывающей промышленности. Здесь применение лазерной обработки приводит к росту износостойкости резцов комбайнов в 2—3 раза.

Изготовление коленчатых валов

Широкое применение лазерная поверхностная обработка находит для повышения долговечности, надежности деталей различных машин и механизмов во многих отраслях промышленности: химическом машиностроении, автомобильной промышленности, судостроении, авиастроении, сельском хозяйстве и т. д.

В автотракторостроении лазерное упрочнение применяется для повышения износостойкости распредвалов, коленвалов, шестерен заднего моста, рабочих поверхностей клапанов, клапанных седел, поршневых канавок, компрессионных колец, рычагов и других деталей. В нефтепромысловом оборудовании лазерное упрочнение применяют для повышения усталостной прочности резьбовой части замковых соединений.

Лазерная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента

Введение

Металлорежущие инструменты выходят из строя вследствие износа режущих кромок.

Научно-исследовательские работы по улучшению долговечности, зачастую приводили к повышению отдельных свойств металлорежущих инструментов при ухудшении других, так, например, с повышением износостойкости и прочности повышается хрупкость [1]. Повышение прочности, износостойкости, теплостойкости с сохранением запаса пластичности металлорежущих инструментов является актуальной проблемой.

Для повышения срока службы (долговечности) металлорежущих инструментов, работающих в условиях адгезионного и диффузионного изнашивания, в последнее время широкое распространение получил метод ионно-плазменной обработки [2]. Износостойкость инструментов при этом обеспечивается карбонитридными покрытиями небольшой толщины (5-10мкм). Но, как показали результаты промышленных испытаний, происходит отслаивание напыленного слоя от основного слоя металла из-за низкой адгезии [3].

Цель исследования: повышение прочности, износостойкости металлорежущих инструментов.

Задачи исследования: разработать технологические параметры способа повышения долговечности металлорежущих инструментов.

Материалы: сверла, дисковые фрезы и пилы из инструментальных сталей Р6М5, ХВГ. 5ХНМ, У10.

Методы исследования: металлографический анализ, определение твердости, красностойкости, адгезии и износостойкости.

Результаты исследования

К основным факторам, определяющим работоспособность рабочей поверхности металлорежущего инструмента с покрытием, относятся:

— структура материала основы;

— сопротивление тепловому удару и деформация покрытия;

— степень сцепления покрытия с основой металла (адгезия);

В результате комплексного исследования разработан новый способ обработки металлорежущих инструментов, подтвержденные авторским свидетельством и инновационным патентом [3, 4].

С целью измельчения зерен поверхностного слоя металлорежущего инструмента, и, как следствие, повышения конструкционной прочности, а также увеличения адгезии была проведена предварительная электротермоциклическая обработка (ЭТЦО) металлорежущих инструментов.

Этот способ заключается в электронагреве со скоростью 50ºС/с до температуры полной аустенизации (850ºС), охлаждении на воздухе до температуры 420-450ºС, что составляет один цикл обработки. Этот процесс повторяли троекратно и после последнего цикла нагрева, т.е. с 820-850ºС проведена закалка в масле. Отпуск инструмента после закалки не производился, так как операция отпуска совмещалась с ионно-плазменной обработкой (ИПО).

После ЭТЦО металлорежущие инструменты (сверла из Стали Р6М5) подвергались ионно-плазменной обработке (ИПО) на установке ИЭТ-8И-2 типа «Булат».

Нагрев изделий производился при достижении вакуума 7.10–³ Па в рабочей камере установки и при подаче высокого напряжения (1200-1300В) на электродуговые испарители (пушки). Температура изделия контролировалась с помощью оптического пирометра.

С целью уменьшения диффузионного изнашивания металлорежущего инструмента при эксплуатации и учитывая, что изделие может работать в ударно-прерывистом режиме, производили на него многослойное покрытие. Для формирования прочного износостойкого покрытия в вакуумную камеру «Булат» подается плазмообразующий газ (азот). Он, реагируя с распыленным материалом катода (Ti. AL), образует упрочняющее покрытие в виде нитридов алюминия и нитридов титана. В начале на поверхность инструмента осаждают покрытие из нитридов алюминия при давлении плазмообразующего газа 4.10–¹Па. Температура нагрева изделия 250-300С, время напыления 15 мин, толщина покрытия 5-6 мкм. На сформировавшийся слой из нитрида алюминия, осаждают нитрид титана при температуре нагрева инструмента 400-450С. Давление плазмообразующего газа при этом составляет 5.10–³ Па, время осаждения 15-20 мин, толщина покрытия 10-12 мкм. Напыленный слой из нитридов алюминия, обладая меньшей твердостью, препятствует выкрашиванию твердого нитридтитанового слоя в условиях вибрации и ударных нагрузок на металлорежущий инструмент, так как более мягкие слои деформируются и допускают тем самым некоторый прогиб твердого слоя из нитридов титана [5].

Время осаждения покрытия колебалось от 30-45 мин, температура нагрева изделий от 200 до 600ºС при этом толщина покрытия составила от 4 до18 мкм при твердости слоя от 1800 до 3200HV.

При времени осаждения покрытия менее 30 мин, показатели твердости довольно низки, а при увеличении времени напыления более 45 мин твердость существенно не изменяется, хотя толщина покрытия увеличиваются и достигают 25 мкм. Отсюда следует, что оптимальное время осаждения покрытия не более 30 мин при температуре 400-450ºС. Полученные результаты ИПО изделия приведены в таблице 1.

Технологические параметры ИПО сверла из Стали Р6М5 (время обработки 30 мин)

Температура изделий в процессе напыления,ºС

Лазерная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента

В современном машиностроении происходит постоянное усложнение конструкций, увеличение номенклатуры, сокращение сроков и снижение затрат на изготовление изделий. На практике часто оказывается так, что назначенная стойкость инструмента может отличаться от действительной стойкости от 5 % до 60 % и более процентов, а это в свою очередь приводит к вынужденным простоям при замене изношенного инструмента, а при отсутствии активного размерного контроля к появлению брака в обработке.

Для снижения интенсивности изнашивания режущего инструмента, в разное время ученые разрабатывали новые инструментальные материалы, инструмент, способы повышения стойкости инструмента, а так же постоянно производили усовершенствование существующих технологий обработки резанием. Рассмотрим существующие способы повышения стойкости режущего инструмента и современные инструментальные материалы, которые позволяют повысить его стойкость.

В патенте № 2186670 РФ запатентован способ повышения износостойкости инструмента, где в материале инструмента формируются магнитострикционные напряжения сжатия с помощью магнитного поля, величину напряженности которого устанавливают выше состояния магнитного насыщения инструментального материала. При этом вектор магнитострикционных напряжений сжатия ориентируют нормально плоскости распространения трещин, соответствующих виду деформации режущей части инструмента. Воздействие магнитного поля обеспечивается непрерывно. Износостойкость инструмента при формировании в нем регламентированного уровня магнитострикционных напряжений сжатия возрастает в среднем на 15–25 % по сравнению другими способами повышения износостойкости [10].

В источнике [13] предложен способ обработки инструмента в жидком азоте и его использование, что приводило к максимальной стойкости инструмента. Ударное охлаждение инструмента в жидком азоте выполняют пятикратно, после этого инструмент используют за время не позднее двух суток, когда эффект повышенной стойкости максимален. Также используют инструмент после однократной обработки в жидком азоте и после перезаточки и ударного охлаждения.

В патенте № 2319607 РФ изобретен инструмент имеющий канавку с режущей кромкой. Технический результат направлен на повышение стойкости инструмента и качества обработки. Суть в том, что инструмент содержит основание, изготовленное из металла, и элемент кромки, имеющий множество режущих зубьев, причем элемент кромки соединен с основанием вдоль кромки основания. При этом режущий зуб изготовлен из композита, который содержит, по меньшей мере, первый и второй металлы, причем первый металл мягче, чем второй. При этом первый более мягкий металл фланкирован вторым более твердым металлом. Канавка образована во время использования инструмента за счет избирательного истирания первого более мягкого металла [8].

В источнике [12] предлагается управлять автоколебаниями при токарной обработке. Способ включает изменение частоты вращения заготовки. Для повышения качества обработанной поверхности и стойкости инструмента изменяют частоту вращения заготовки по синусоидальному закону со случайным изменением амплитуды и частоты.

М.Б. Гатовский изобрел резец для станочной обработки повышенной стойкости, у которого главная и вспомогательная задние поверхности выполнены под углом к оси резца, который определен значением заднего угла главной режущей кромки, причем дополнительные задние поверхности выполнены под меньшим углом к оси резца, а его рабочая часть снабжена, по меньшей мере, двумя фасками, выполненными с равным наклоном к оси резца [11].

Ю.Г. Кабалдин и др. предложили способ обработки инструмента преимущественно из твердых сплавов на основе кобальта и карбида вольфрама, включающий азотирование и нанесение методом конденсационно-ионной бомбардировки покрытия из нитрида тугоплавкого металла, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной стойкости инструмента, после азотирования осуществляют виброабразивную обработку, после чего методом конденсационно-ионной бомбардировки наносят слой молибдена, а в качестве нитрида тугоплавкого металла используют нитрид циркония [4].

В Алтайском государственном техническом университете создали новый резец. Техническим результатом является повышение стойкости резца и расширение диапазонов режимов резания вследствие существенного снижения тепловой нагрузки, как на режущую пластину, так и на бетонную державку. Кроме державки резец содержит режущую пластину и узел ее крепления, приспособление для отвода избыточного тепла, предназначенное также для выполнения функции опорной пластины, и термоизолятор, установленный между упомянутыми приспособлением и державкой [9].

В авторском свидетельстве № 1788786 предлагается способ упрочнения инструмента, включающий ионное азотирование и нанесение износостойкого покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости и надежности инструмента, в качестве износостойкого покрытия наносят слой из оксида алюминия толщиной 2–3 мкм, который формируют в процессе термического разложения на поверхности алкоголята алюминия [7].

В авторском свидетельстве № 1614519 предложили новое износостойкое покрытие инструмента, содержащее сложный нитрид титана с равномерно распределенными по его объему дополнительными компонентами железа, никеля, хрома, отличающееся тем, что, с целью повышения стойкости инструмента, дополнительные компоненты введены в следующем соотношении, мас. %: железо 4–20, никель 0,5–3, хром 1–5 [3].

Как видно многие авторы предлагают способы повышения износостойкости режущего инструмента либо с помощью создания новых видов инструмента, либо с помощью нанесения на инструмент покрытия. Покрытие позволяет не только повысить износостойкость инструмента, но и восстановить его геометрические размеры. Инструмент с покрытием имеет меньший разброс значений стойкости, что позволяет более точно определить норму его принудительной замены.

Обширные исследования [16] показали, что оптимальная толщина покрытия на инструменте, изготовленных из быстрорежущей стали составляет 4 мкм, при этом период стойкости инструмента достигает 120 мин, а износ в основном происходит по задней грани.

Таким образом, видно, что покрытия влияют на износостойкость инструмента, но влиять на износостойкость также можно режимами резания, от которых напрямую зависят силы, действующие при резании материалов. Уровень режимов резания, высокая размерная стойкость инструмента на автоматизированном станочном оборудовании непосредственно зависят от качества инструментальных материалов, используемых для оснащения режущей части инструментов. Большое разнообразие условий обработки деталей на станочном оборудовании объясняет возможность и необходимость использования широкой гаммы инструментальных материалов: быстрорежущих сталей, твердых сплавов, режущей керамики и сверхтвердых материалов (СТМ). Быстрорежущие стали применяются в основном для изготовления инструментов сложной формы, работающих с малыми скоростями резания. Твердые сплавы составляют основную группу инструментальных материалов для автоматизированного станочного оборудования. Повышение их эксплуатационных свойств достигается уменьшением зернистости, легированием ниобием, гафнием, рением. Большинство твердых сплавов обладает широким диапазоном применяемости, что облегчает их автоматизированный выбор на станочном оборудовании и позволяет сократить их номенклатуру.

В частности, компания Sandvik Coromant, которая одна из первых в мире освоила в 1970 году серийный выпуск сменных многогранных пластин (СМП) с покрытием TiC (серия GC, метод нанесения CVD), разработала новое композиционно-многослойное покрытие TiN-TiN/Al2O3-TiCN для пластин серии GC 2025, в котором слой TiN/Al2O3 состоит из субслоев наноразмерной толщины с нанокристаллическими зернами. Пластины GC 2025 имеют период стойкость до 2–2,5 раз выше периода стойкости пластин со стандартным многослойным покрытием [17].

Фирма Krupp Widia разработала метод химического осаждения покрытия на твердые сплавы с применением плазменного разряда. Метод основан на использовании низковольтного разряда в реактивном газе, что позволяет осуществлять химические реакции при температуре 500 град., вместо положенных 1000 град., при этом сохраняется исходная вязкость после нанесения покрытия и твердый сплав имеет белее равномерную структуру, что снижает его износ [15].

Наряду с твердыми сплавами применяются инструменты, изготовленные из керамики и сверхтвердых материалов (СМТ), позволяющие увеличить производительность 1,5–3 раза и стойкость резцов в 4–7 раз, по сравнению с другими твердыми сплавами. Однако для эффективного использования свойств керамики и СМТ необходимы высокоскоростное оборудование и повышенная жесткость системы СПИД [14].

А.Ю. Козлюк предлагает повышение износостойкости инструмента путем применения магнитно-импульсной обработки с предварительным индукционным нагревом. Что, приводит к увеличению износостойкости сверл, метчиков, токарных резцов из инструментальных сталей в 1,4–2,0 раза [5].

Частично можно повысить износостойкость инструментального материала за счет изменения структуры сплава (равномерности распределения его компонентов по объему изделия, однородности зерен WC, входящих в его состав, по размеру, форме и т.д.). Одним из возможных средств решения этой задачи является использование при получении твердых сплавов на карбидной основе высокопрочных и жаростойких связок, содержащих, кроме кобальта, тугоплавкие металлы, не образующие устойчивых карбидов. Другое возможное средство – нанесение на его рабочие поверхности покрытия с высокой износо- и теплостойкостью, пассивного по отношению к обрабатываемому материалу. Такое покрытие должно способствовать уменьшению контактных нагрузок, благоприятному перераспределению тепловых потоков и повышать сопротивляемость материала микро- и макро-разрушению [2].

М.Ш. Мигранов в работе занимался повышением износостойкости инструментов путем прогнозирования процессов адаптации поверхностей трения при резании материалов на основе разработки с использованием методов неравновесной термодинамики принципов выбора и применения инструментальных материалов и износостойких покрытий [6].

М.Ш. Мигранов провел достаточно трудоемкую работу итогом, которой являлась разработка информационной базы по технологическим параметрам и износостойким покрытиям для решения различных производственных задач.

Проанализировав вышеизложенный материал, можно сделать вывод, что применение износостойких покрытий и новых инструментальных материалов повышает стойкость инструмента в два и более раз, что положительно сказывается на производительности и себестоимости лезвийной обработки на автоматизированном станочном оборудовании.

Однако нормативно-технической документацией на изготовление твердосплавного инструмента, а также на изготовление углеродистых и легированных сталей устанавливаются допуски на отклонение химического состава и физико-механических свойств, при этом реальный диапазон изменения режущих свойств инструментов одной марки, как внутри партии, так и между партиями спекания достигает двукратного уровня и более [1]. Для автоматизированного станочного оборудования неоднородность режущих свойств твердосплавного инструмента приводит к изменению в широких пределах стойкости этого инструмента и производительности обработки. Причем важнейшим требованиям при эксплуатации инструментальных материалов в автоматизированном производстве является стабильность физико-механических свойств.

Изменение химического состава и физико-механических свойств современных инструментов влияет на силы, действующие между контактирующей парой «сталь – твердый сплав».

Следовательно, обладая оперативной информацией: о свойствах контактирующей пары, об условиях резания, о величинах сил и отношении этих сил между собой, о величине размерного износа инструмента, можно значительно повысить точность расчета периода размерной стойкости инструмента, приблизив расчетный период стойкости к действительному периоду стойкости. Назначая расчетным методом период стойкости инструмента можно определять соответствующую этому периоду скорость резания при заданных глубине резания и подаче.

2.6 Методы повышения износостойкости ин­струментов

В настоящее время предъявляются повышенные тре­бования к режущим свойствам инструментов, в особенности инструментов для станков с ЧПУ и гибких производственных комплексов. Традиционные методы повышения стойкости ин­струментов путем сложного легирования почти исчерпали свои возможности. В этой связи разработаны и внедрены методы повышения износостойкости, основанные на создании на ра­бочих гранях инструментов тонких поверхностных слоев с за­данными свойствами. Наибольшее распространение среди них получили химико-термическая обработка и нанесение износо­стойких покрытий.

Химико-термические методы (цианирование, азотирование или нитроцементация, борирование и др.) представляют собой виды обработки, при которых происходит изменение химического состава и свойств поверхностных слоев инструментов, изготовлен­ных из стали. Эти изменения достигаются в результате диффузии различных элементов из внешней среды в сталь. Среди перечисленных методов наибольшее применение получило циани­рование, т. е. насыщение поверхностного слоя инструмента одновременно углеродом и азотом. Цианирование производится после термообработки и окончательной заточки. После цианирова­ния получается слой толщиной 20. 30 мкм, обладающий высокой твердостью до 70 HRC, а также теплостойкостью и износостойко­стью. Цианированный слой имеет меньший коэффициент трения с обрабатываемым материалом. Вследствие этого стойкость цианированных инструментов повышается в 1,5. 2 раза.

Нанесение покрытий на инструментальный материал по­зволяет создать на его поверхности новый комплекс свойств с сохранением необходимых свойств основы. Это направление повышения стойкости инструмента в настоящее время является наиболее важным. Существует большое число методов по­лучения покрытий на рабочих поверхностях режущего ин­струмента. Широкое применение среди них получили методы: химического осаждения покрытии из парогазовои фазы и вакуумно-плазменные.

Метод химического осаждения из газовой фазы (получивший название ГТ) основан на конденсации газообразных соединений с образованием твердых осадков. При этом температура подложки (инструмента) высокая (1000. 1100°С), т. е. метод высокотемпера­турный и применим только для нанесения покрытий на инструмент из твердого сплава. По данному методу наносятся покрытия на многогранные пластинки твердого сплава. Более половины многогранных пластин в настоящее время выпускаются с износостойкими покрытиями. Материалами для покрытий служат: TiC; TiN, TiCN; ZrN; HfC; MoC: MoN; CrN; TaN и др.

Вакуумно-плазменные методы (метод КИБ — конденсация покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардиров­кой поверхности инструмента; метод РЭП—реактивно-элект­ронно-лучевого плазменного осаждения покрытий в вакууме) имеют более широкие технологические возможности. Температу­ра подложки в данных методах достаточно низкая (

450° С), т. е. методы могут быть использованы для нанесения покрытий как на твердые сплавы, так и на быстрорежущие стали. В настоящее время на многих отечественных предприятиях созданы участки для нанесения покрытий методом КИБ, оснащенные установками типа «Булат». На них можно наносить покрытия на пластинки и осевой инструмент (сверла, метчики, зенкеры, развертки и т. д.). Оптимальная толщина покрытия составляет 8. 12 мкм в зависи­мости от свойств материала основы, метода нанесения и материа­ла покрытия. Покрытия могут быть одно- и многослойными. В случае многослойных покрытий нижние слои делаются более пластичными — из карбидов титана или молибдена, верхние более твердые—из нитридов титана или керамики.

Опыт применения инструментов с износостойкими покрыти­ями показал, что их стойкость увеличивается в 2. 3 раза, силы резания и температура снижаются на 20. 25%.

Технологические процессы лазерной резки

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Что лежит в основе лазерного раскроя металла
• Какими преимуществами обладает технология лазерного раскроя металла
• Какие виды лазерного раскроя металла используются на современных производствах
• Какие станки выполняют лазерный раскрой металла

Лазерная резка – это современная технология, используемая для резки и обработки различных материалов (в основном, металлов). Основное ее преимущество в том, что с помощью лазерного раскроя возможно получение деталей сложного контура. В нашей статье вы узнаете о том, что представляет собой лазерный раскрой металла, каковы особенности применения данной технологии и как ее использовать максимально эффективно.

На каких принципах основан лазерный раскрой металла

Независимо от того, какой металл используется, его раскрой – это заготовительный процесс, во время которого формируются будущие элементы различных металлических конструкций. Машиностроительные заводы, различные производственные комплексы всегда имеют заготовительные цехи, снабженные специальным техническим оборудованием для раскроя материалов. В зависимости от того, какое оборудование или инструмент используется, формируется либо заготовка, либо готовая металлическая деталь.

Значение термина «раскрой метала» можно определить как расположение заготовок на металлическом листе для последующей обработки. Форму обычно берут прямоугольную, но работать можно также и с любой другой. Для процесса раскроя металла в зависимости от используемой технологии характерно появление возвратных и безвозвратных отходов.

Лазер по праву считается одним из самых ярких и наиболее значимых открытий прошлого века. Изобретен он был еще в 1960 году и работал на рубине в инфракрасном диапазоне. Лазер стал прорывом, позволившим человеку «приручить» свет и использовать его в своих интересах.

Прикладная квантовая наука стремительно развивалась. Пройдя путь от постепенного усиления изначальных систем накачки и модернизации оптических резонаторов, ей удалось получить сильнейший, управляемый луч. Находились новые активные среды, проходили испытания и начинали использоваться на практике химические и полупроводниковые лазеры, модели на красителях и на свободных электронах.

Раскрой металла лазером давно начали внедрять в машиностроении. Первыми лазерный раскрой освоили судоверфи, предприятия авиационной и автомобильной промышленности, стремившиеся использовать ведущие технологии с тем, чтобы увеличить производительность труда. В условиях возрастающей конкуренции появлялись все более совершенные обрабатывающие центры, стремящиеся сделать производственные процессы наиболее эффективными.

Слово «лазер» – это аббревиатура, пришедшая к нам с английского «light amplification by stimulated emission of radiation», что переводится как «усиление света посредством вынужденного излучения». Проще говоря, это излучение, вызываемое атакой фотонов на активную среду, усиливающееся из-за ответной реакции. Поток света, проходя сквозь зеркала и оптические призмы, формируется в целенаправленный луч импульсной или непрерывной модуляции.

Лазерная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента

В настоящее время в машиностроении широко используется лазерная обработка металлорежущего инструмента с целью повышения его износостойкости. В основе лазерной обработки лежит применение лазерного луча, который как технологический инструмент не имеет себе равных по степени гибкости, быстродействия и износоустойчивости. Сегодня лазерная обработка способна конкурировать с фотохимическими и электроэрозионными процессами обработки, способствуя при этом повышению производительности и снижению износа металлорежущего инструмента. В будущем лазерная обработка металлорежущего инструмента найдет более широкое применение в связи с уменьшением размеров лазерных установок.

Лазерная обработка основана на применении мощного светового потока, вызывающего плавление или испарение обрабатываемого материала. Лазерное излучение фокусируется в определенный участок обрабатываемого материала металлорежущего инструмента [1,с.5]. Источником светового излучения является лазер. Работа лазера основана на принципе генерирования светового излучения. Лазерная обработка способствует улучшению многих эксплуатационных свойств облученного материала металлорежущего инструмента. Лазерное облучение позволяет в широких пределах изменять напряженно-деформированное состояние материала металлорежущего инструмента. Изменяя условия облучения, можно получать остаточные напряжения разной величины. Основным результатом такой обработки является тонкий поверхностный слой обрабатываемого материала металлорежущего инструмента, который нагревается и охлаждается со сверхвысокими скоростями за счет быстрого отвода тепла в основную массу металла [2,с.15]. В этих условиях поверхность металлорежущего инструмента подвергается «автозакалке». Этот способ позволяет повысить микротвердость и износостойкость поверхности материала металлорежущего инструмента от 2 до 5 раз без термического деформирования характерного для традиционных методов термообработки.

Основными преимуществами лазерной обработки являются:

— проведения обработки в местах, недоступных для другого обрабатывающего инструмента;

— способностью луча проникать через любую прозрачную среду, не нарушая ее и не снижая свою интенсивность;

Методы повышения стойкости режущих инструментов

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5

Для повышения эксплуатационных свойств режущие инструменты из инструментальных сталей после термообработки, финишных операций и заточки подвергаются еще дополнительной обработке, носящей общее название «операции улучшения поверхностных слоев» или «облагораживание», которые осуществляются химико-термическими, химико-механическими, химическими, электрическими, электрохимическими, электроэрозионными, электролитическими и другими методами.

В результате этих операций можно исправить такие дефекты, как обезуглероживание, недостаточную и неравномерную твердость и структуру поверхностных слоев рабочей части инструмента.

Xимико — термическний метод

Xимико — термическний метод представляет такой вид обработки, при котором происходит изменение химического состава и свойств поверхностных слоев инструментов, изготовленных из инструментальной стали. Эти изменения чаще всего достигаются за счет диффузии различных элементов из внешней среды в сталь.

Наиболее широкое распространение из химико-термических методов имеет цианирование, т. е. насыщение поверхностного слоя инструмента одновременно углеродом и азотом. В инструментальном производстве широкое применение имеет так называемое низкотемпературное жидкостное цианирование, которое обычно осуществляется для инструментов из быстрорежущих сталей при температуре 550—570° С в соляных цианистых ваннах следующего состава:

1) 50% цианистого калия KCN и 50% цианистого натрия NaCN с температурой плавления смеси около 490° С;

2) 96—98% цианистого натрия NaCN и 4—2% соды Na2C03 с температурой плавления смеси около 550°С;

3) 60% цианистого натрия NaCN и 40% соды Na2C03 с температурой плавления смеси около 440° С. Последняя смесь наиболее жидкая и не дает значительного прилипания солей к обрабатываемому инструменту, а поэтому чаще применяется.

Процесс цианирования производится после термообработки и окончательной заточки. Инструмент погружается в тигель с расплавленными солями па специальных крючках или проволоке и выдерживается в зависимости от размеров, формы и па-значения инструмента от 4 до 30 минут. При этом получается поверхностный цианированпый слой толщиной 0,02—0,07 мм, верхняя часть которого толщиной до 2—3 мк включает, кроме избыточных карбидов быстрорежущей стали, цементит и нитрид железа. Твердость этого хрупкого стоя не превышает НRC = 62—64, поэтому он быстро изнашивается при резании и не влияет на стойкость инструмента. Основное влияние на режущие свойства инструмента оказывает вторая часть слоя, состоящая из мартенсита, карбидов и карбидонитридных фаз и имеющая твердость HRC до 70—72, а также повышенную теплостойкость и износостойкость. На планированной поверхности реже наблюдается налипание обрабатываемого материала и в связи с этим уменьшается коэффициент трения сходящей стружки. Вследствие этих причин стойкость цианированных инструментов повышается в 1,5—2 раза. Однако эффективность процесса цианирования во многом зависит от характера износа и способа переточки инструмента. Наибольшая эффективность процесса цианирования наблюдается для таких иструментов, как резьбовые и червячные фрезы, долбякн, фасонные резцы и метчики, переточка которых производится только по передней поверхности. Значительный эффект имеет также цианирование у таких инструментов, как сверла и зенкеры, сохраняющие после переточек циа-нироваиный слой на передних поверхностях и на вспомогательных режущих лезвиях. Несколько меньший эффект имеет цианирование для цилиндрических и концевых фрез, сохраняющих при переточках цианированный слой лишь на передних поверхностях. Шлицевые же фрезы и отрезные резцы, у которых цианированный слой полностью удаляется после переточки, следует подвергать повторному цианированию.

Однако многократное цианирование увеличивает хрупкость зубьев инструмента. К тому же у этих инструментов, изнашивающихся как по задней, так и в виде лунки по передней поверхности, цианированный слой сохраняется только в начальный период работы, а затем разрушенный цианированный слой выполняет роль абразива, ускоряя образование лунки и тем самым способствуя понижению стойкости. В связи с этим повторное цианирование таких инструментов не следует производить.

Сулъфидирование

Сулъфидирование, как и цианирование, выполняется после термической обработки и заточки инструментов. Оно обычно осуществляется в зависимости от размера и формы инструмента с выдержкой от 45 минут до 3 часов в тигельных ваннах при температуре 550—560° С. В состав ванны входят нагревательная (39% хлористого кальция, 25% хлористого бария и 17% хлористого натрия) и активная (13,2% сернистого железа в порошке и 3,4% кристаллического сернокислого натрия) части, а также ускоритель — 3,4% желтой кровяной соли.

После сульфидироваиия поверхность инструмента имеет серый цвет. В поверхностном слое толщиной до 0,1—0,12 мм главным образом по границам зерен выделяются сернистые соединения FeS, которые приобретают в процессе сухого трения самосмазывающую способность, благодаря чему уменьшаются силы трения стружки о режущий инструмент и повышается в 1,5-2 раза износостойкость инструмента.

Обработка в атмосфере сухого и перегретого

Обработка в атмосфере сухого и перегретого пара применяется для инструментов т быстрорежущих сталей. Инструменты после шлифования, заточки и обезжиривания помещают в герметически закрывающуюся печь и при 300— 350°С начинают подачу пара под давлением (9,81—29,43) 103 Н/м2 в течение 20—30 минут для удаления воздуха из печи. Затем повышают температуру до 550—570° С и выдерживают 30—60 минут, а затем охлаждают в атмосфере пара до 300—350° С.

После этого прекращают подачу пара и заканчивают охлаждение инструмента с печыо или на воздухе с последующим промыванием его в горячем веретенном масле. В результате такой обработки на поверхности инструмента образуется темно-синяя пленка магнитной окиси железа FesOi толщиной 2—5 мкм. Эта окисная пленка защищает инструмент от коррозии, а также удерживает смазку, понижает коэффициент трения и резко повышает температуру сваривания рабочих поверхностей инструмента со стружкой при резании, чем способствует повышению стойкости инструмента па 50—75%. Кроме того, обработка паром устраняет недоотпуск, который мог быть допущен после закалки, снимает также шлифовочные напряжения, способствует дальнейшему превращению аустеннта во вторичный мартенсит в шлифованном поверхностном слое и улучшает товарный вид инструмента. Обработка паром является простой, дешевой и безопасной операцией.

Она целесообразна для тех инструментов, которые нельзя подвергать цианированию, а также прошедших цианирование.

Xимико — механические методы

Xимико — механические методы облагораживания используются для удаления прижогов, отпущенного тростита или сорбита и других дефектов поверхностного слоя рабочей части инструмента.

Дефектный слой можно удалить механической доводкой с помощью пасты ГОИ и наждачной пасты, а также полировкой в растворах электролитов. В первом случае доводка осуществляется чугунными притирами, шаржированными пастами, состоящими’из 65—75%) абразива (карбид бора, алмаз, борозои и т. д.) и 35—25% парафина. Для доводки быстрорежущего инструмента широко применяются мелкозернистые борозоповыс, а твердосплавного — алмазные круги. Кроме того, доводи а твердого сплава может производиться в растворах электролитов, в результате чего освобождаются зерна карбидов вольфрама и титана, которые затем удаляются с помощью наждачного порошка.

Xимическая и электрохимическая обработка

Xимическая и электрохимическая обработка производится стравливанием дефектов слоя кислотами или солями.

В первом случае после предварительного обезжиривания инструмент помешают в водный раствор, содержащий серную и азотную кислоту, а также медный купорос, и производят обычное химическое травление. Более целесообразным методом является электрохимическое стравливае, когда инструмент подвешивается в ванне н является катодом, а с двух сторон подвешиваются свинцовые аноды. Процесс ведется при напряжении 2—6 В и плотности тока 10—15 А. За 5—10 минут снимается дефектный поверхностный слои толщиной 0,01—0,02 мм, что обеспечивает повышение стойкости инструмента.

Электролитическое покрытие

Электролитическое покрытие рабочих поверхностей инструмента хромом получило широкое применение при обработке инструментов, изготовленных из различных инструментальных сталей. Оно выполняется при низких температурах 50—70°. К тому же это покрытие имеет высокую твердость (НRС=65—67) и износостойкость н осуществляется в ваннах состава: 250 г хромового ангидрида СгЬ3; 2,5 г серной кислоты H2SO4; 1 л воды. Инструмент служит катодом, а анодом — свинец или нержавеющая сталь. Плотность тока при этом составляет от 14 до 22 А/дм2.

Сущность процесса при хромировании сводится к осаждению хрома на хромовой кислоты в присутствии ионов. Для осаждения хрома в канавках н отверстиях анодам придается соответствующая форма. Время выдержки в ванне зависит от требуемой толщины (0,01—0,04 мм) покрытия. Во избежание отслаивания хрома поверхности инструмента, подвергаемые покрытию, тщательно шлифуются и полируются, а затем обезжириваются.

В производстве режущих инструментов из быстрорежущих и легированных сталей хромирование является средством дополнительного повышения их износостойкости после цианирования. Это связано со следующими положительными свойствами хромированного слоя:

1) сохраняется высокая твердость при нагреве до 400—500°;

2) пониженный коэффициент трения по сравнению с обычными закаленными сталями;

3) высокая химическая устойчивость против воздействия кислот, влаги и т. д.;

4) повышенная теплопроводность (до 10—12 раз по сравнению с быстрорежущей сталью) улучшает условия отвода тепла при работе инструментов;

5) меньшая налипаемость обрабатываемого материала па поверхности инструмента.

В связи с этим стойкость режущих инструментов (протяжки, развертки и др.) повышается в 1,5—2 раза. Но несмотря на высокие свойства, электролитическое хромирование применяется реже цианирования и других методов облагораживания. Это связано с трудностями качественного и равномерного хромирования инструментов сложной формы.

Методы повышения стойкости инструментов

Изготовленный из правильно подобранного инструментального материала режущий инструмент может иметь высокую или низкую стойкость, так как высокие режущие свойства инструмента обеспечивает не только материал, а также оптимальная геометрия и правильно проведенная технология обработки инструмента (термическая обработка, шлифование, заточка и т. д.), но и условия эксплуатации инструмента. После правильно проведенной термической обработки режущая кромка инструмента приобретает необходимую, характерную для данного инструментального материала твердость и износостойкость.

Существует ряд методов, позволяющих повысить стойкость режущей части инструмента (при прочих равных условиях) путем проведения дополнительных операций. К таким методам относятся:

• насыщение поверхностного слоя инструмента (цианирование, хромирование, сульфидирование);
• повышение стойкости путем улучшения структуры при термической обработке (обработка холодом, обработка паром);
• повышение качества поверхности инструмента (доводка, притирка).

Цианирование — химико-термический процесс, который заключается в насыщении поверхностного слоя стали углеродом и азотом путем диффузии при определенной температуре. В зависимости от метода насыщения в промышленности различают цианирование в жидких средах, газовое цианирование и сухое цианирование с твердым карбюризатором. В зависимости от температуры цианирование разделяется на высокотемпературное (в диапазоне 800— 850° С) и низкотемпературное (в диапазоне 550—560° С).

Для инструментов из быстрорежущей стали применяется только низкотемпературное цианирование полностью обработанных инструментов, так как, если термически обработанный и заточенный инструмент подвергать цианированию при температурах выше обычных температур отпуска, будет понижена твердость, что приведет не к повышению стойкости, а к резкому снижению ее.

Широкое применение на заводах имеет жидкое цианирование инструмента из быстрорежущей стали при температуре 550—560° С. Процесс насыщения стали углеродом и азотом производится в ваннах (тиглях), наполненных расплавленной солью (обычно цианистый натрий NaCN).

В процессе работы идут химические реакции окисления:

2NaCN + O₂ = 2NaCNO;

далее образовавшийся цианид NaCNO реагирует с кислородом воздуха:

Окись углерода СО реагирует с железом, входящим в состав быстрорежущей стали, образуя карбид железа:

Выделяющийся атомарный азот также реагирует с железом и легирующими элементами, образуя нитриды. Карбиды железа и нитриды повышают твердость до HRC 68—70 и износостойкость поверхности режущей части инструмента. Время выдержки в цианистых ваннах зависит от размера и конструкции инструмента и колеблется в пределах 5—30 мин.

Цианированный инструмент имеет повышенную стойкость. Повышение стойкости — результат как повышенной твердости поверхностного слоя, так и пониженного коэффициента трения при резании, что уменьшает износ и повышает красностойкость инструмента. Рекомендуется цианирование с глубиной слоя 0,01—0,03 мм, так как при больших слоях режущая кромка инструмента получается хрупкой. Жидкому низкотемпературному цианированию подвергают протяжки, сверла, резьбовой инструмент и некоторые другие виды инструмента из быстрорежущей стали.

Сульфидирование — процесс насыщения поверхностных слоев металла серой. Образовавшиеся на поверхности инструмента сернистые соединения снижают коэффициент трения и повышают износостойкость инструмента. Процесс производится при температуре 550—560° С в ваннах следующего состава: 39% хлористого кальция; 25% хлористого бария и 17% хлористого натрия с добавлением сернистых соединений: 13,7% сернистого железа (в порошке); 3,4% сернокислого калия и 3,4% желтой кровяной соли. Выдержка от 40 до 90 мин. По данным некоторых исследований стойкость сульфидированного инструмента в 1,5—2 раза выше.

Хромированию можно подвергать готовые инструменты из различных сталей — быстрорежущей, легированной или углеродистой. Применяется хромирование долбяков, протяжек и некоторых других инструментов. При изготовлении инструмента применяют главным образом электролитическое хромирование в гальванических ваннах с толщиной слоя до 0,025 мм.

Процесс обработки паром инструментов из быстрорежущей стали заключается в предварительной промывке инструмента при температуре около 70°С следующим составом на литр раствора: 20—40 г соды Na₂СО₃, 20—40 г каустической соды NaOH и 20—40 г тринатрийфосфата Na₃РO; затем промытый горячей водой инструмент загружается в электропечь с герметическим затвором (можно использовать печи для отпуска инструмента). При температуре 340—380° С инструмент выдерживается в течение 15—30 мин до полного прогрева; затем печь продувается водяным паром, и при 540—560° С инструмент выдерживается в течение 30—40 мин; затем охлажденный до 50—70° С инструмент опускают в подогретое минеральное масло. После обработки паром и погружения в масло на инструменте образуется тонкая (0,05 мм) пленка окислов, а так как процесс происходит при температуре дополнительного отпуска для быстрорежущей стали, то инструмент получает повышенную среднюю стойкость (если он был правильно закален). В процессе обработки паром не могут быть устранены последствия плохой термической обработки инструмента. Повышение стойкости в 2 раза и некоторая стабилизация показателей стойкости вследствие улучшения условий отвода и уменьшения налипания стружки, например, на ленточках сверл, обеспечили внедрение этого процесса в промышленность.

Для повышения стойкости режущие кромки следует доводить. Заточка и доводка режущих кромок, особенно алмазными кругами, позволяет повысить среднюю стойкость ряда инструментов, особенно чистовых, в 2—3 раза и более, так как улучшает качество поверхности инструмента, а, следовательно, и условия работы режущей части инструмента.

Окончательно изношенный инструмент, например, зенкер, развертка, резец и т. д., можно восстановить. Методы восстановления сборного и цельного инструмента различны. Возможность восстановления заложена в конструкциях сборных инструментов. Например, корпуса сборных фрез разверток, зенкеров и т. д. могут служить очень долго и выдерживают многократную смену изношенных ножей. Во многих случаях возможность легкого восстановления и обеспечивает целесообразность выбора сборной конструкции инструмента. Для отдельных конструкций сборного инструмента вопрос замены ножей решается по-разному. В конструкциях резцов и фрез предусматривается применение неперетачиваемых многогранных пластинок. Такой инструмент восстанавливается просто. Когда износились все режущие кромки пластинки, она снимается и заменяется новой. Державка служит до тех пор, пока можно на ней закреплять пластинку.

Восстановление инструмента цельной конструкции, а также инструмента с напаянными пластинками значительно сложнее и не всегда оправдывается экономически. Инструмент можно перешлифовать на ближайший размер с соответствующим углублением стружечных канавок. Подобным путем могут восстанавливаться такие инструменты, как зенкеры, развертки, большинство видов цельных фрез. При восстановлении методом шлифования отверстие насадных инструментов остается в первоначальном виде, поможет также хромироваться в размер.

Ряд инструментов можно восстановить путем отжига изношенного инструмента с последующей полной механической обработкой на новый размер. Отверстие насадного инструмента после отжига растачивается на другой размер, или в него вставляется втулка. Из поломанных быстрорежущих фрез могут быть изготовлены пластинки для напайки на резцы и т. д. Инструмент следует восстанавливать только тогда, когда это оправдывается экономически.