Сверхтвёрдые инструментальные материалы и лезвийная обработка металлов

Изготовляют три марки: ПТНБ-ИК1 с диаметром и высотой заготовок 3,8 и 4,2 мм соответственно; ПТНБ-ИК2 (8 и 3,5 мм); ПТНБ-ИКЗ (1,8 и 3,8 мм).

Необходимость получения поликристаллов BN больших размеров с меньшими энергетическими затратами потребовала провести исследования, в которых использовался BNB, полученный взрывом при традиционном методе порошковой металлургии – горячем прессовании с протеканием трёхфазных химических реакций, но в условиях сверхвысоких давлений.

В 1972 г. при таких условиях в Институте проблем материаловедения АН УССР (ИПМ АН УССР) совместно с Полтавским заводом искусственных алмазов и алмазного инструмента (ПЗИАиАИ) под руководством В. И. Трефилова был получен сверхтвёрдый поликристаллический материал под торговой маркой гексанит-Р (композит 10).

Поликристаллы гексанита-Р представляют собой смесь BNB и BNK с размерами частиц BNK 0,2 мкм. Продукт синтеза может содержать до 5% BNГ.

В больших объёмах производятся поликристаллы гексанита-Р первой и второй групп массой 0,7 и 1,4 карат соответственно. Поликристаллы первой группы имеют диаметр 3,6 мм и высоту 5,5 мм, второй группы – 6 и 5,5 мм соответственно.

На ПЗИАиАИ было освоено производство двухслойных пластин гексанита-Р диаметром 5,56 мм, высотой 3,97 и 3,18 мм с рабочим слоем сверхтвёрдого материала толщиной 0,5...1,0 мм, который прочно соединен с безвольфрамной подложкой из карбида титана TiC. Такие пластины предназначены для токарных резцов с креплением пластины как механическим путём, так и методами пайки.

Эти материалы успешно используются при чистовом и получистовом точении с ударом и без удара заготовок из закалённых сталей твёрдостью не выше HRC 60, чугунов любой твёрдости и твёрдых сплавов типа ВК15, ВК20, ВК25, глубиной резания 0,05...1,5 мм, а также при точении наплавленных поверхностей.

Для улучшения эксплуатационных свойств лезвийного инструмента на основе гексанита-Р разработан поликристаллический материал, представляющий собой гексанит-Р, армированный волокнами "сапфировых усов", получивший торговое название гексанит-РЛ, имеющий повышенную стойкость при точении с ударными нагрузками по сравнению с гексанитом-Р.

Успехи в области получения новых поликристаллических сверхтвёрдых материалов позволили использовать эти материалы не только в качестве режущего элемента для лезвийного инструмента, но и как конструкционного в приборостроении и полупроводниковой промышленности.

Так, с целью использования поликристаллов КНБ в качестве теплоотводов, теплообменников, теплорассеивателей в электронных приборах (интегральные схемы, лазеры, рентгеновские трубки и др.), тепловых машинах, холодильниках (например, термоэлектрических охлаждающих систем и др.) разработаны способы получения поликристаллических компактов (спёки зёрен КНБ с металлом) с теплопроводностью более 500 Вт/(м×К), а также алмазно-металлических композитов.

 

Во "ВНИИИНСТРУМЕНТ" для упорядочения фирменных и торговых названий сверхтвёрдых поликристаллических материалов на основе нитрида бора предложена единая классификация, которая и применяется в промышленности в настоящее время.

Все основные плотные поликристаллические материалы нитрида бора получили название "композиты" и были разбиты на группы:

– композит 01 (эльбор-Р, эльбор-РМ);

– композит 02 (белбор);

– композит 03 (исмит-1, исмит-2, исмит-3);

– композит 05 (композит 05И, композит 05ИТ, композит 05ИТ2С);

– композит 09 (ПТНБ-ИК1, ПТНБ-ИК2, ПТКБ-ИКЗ);

– композит 10 (гексанит-Р, гексанит 10Д, гексанит-РЛ).

В эту классификацию не вошли материалы, которые синтезируются в малых объёмах и не имеют промышленного значения.

Схемы изготовления различных марок ПСТМ представлены на рис. 1.3. Основные физико-механические свойства сверхтвёрдых материалов на основе модификаций нитрида бора представлены в табл. 1.5 [12].

 

Рис. 1.3. Схемы изготовления различных марок

поликристаллических сверхтвёрдых материалов

на основе модификаций нитрида бора

                         

1.4.2. Области применения инструментов, оснащённых

поликристаллическими сверхтвёрдыми материалами

 

Основные области эффективного применения режущих инструментов, оснащённых поликристаллическими сверхтвёрдыми материалами (ПСТМ), – автоматизированное производство на базе станков с ЧПУ, многоцелевых станков, автоматических линий, специальных скоростных станков, гибких производственных модулей (ГПМ) и гибких производственных систем (ГПС).

Эффективность таких систем обеспечивается их способностью быстро перестраиваться на выпуск нового изделия и высокой производительностью, достигаемой круглосуточной работой оборудования в автоматическом цикле. При таких условиях работы резко возрастают требования к надёжной работе станков, всей технологической оснастки и конкретно к надёжности и износостойкости режущего инструмента.

Наиболее перспективным металлорежущим инструментом для оснащения станков с ЧПУ и ГПМ, особенно на чистовых и получистовых операциях, является инструмент, оснащённый ПСТМ.

Обрабатывая на станках с ЧПУ абразивным инструментом заготовки из закалённых сталей с твёрдостью поверхностей НRC ³ 35, трудно обеспечить повышение производительности многих финишных операций вследствие низкой размерной стойкости кругов, а также практической невозможности производить обработку "по настроенному размеру" и с большой глубиной резания. Кроме того, при обработке абразивным инструментом возникают такие дефекты, как шаржирование обрабатываемых поверхностей заготовок и образование в их поверхностном слое трещин, прижогов и других дефектов.

Механическая обработка таких заготовок лезвийным инструментом более производительна и практически исключает возникновение указанных дефектов. Однако применение лезвийного инструмента из твёрдого сплава или быстрорежущих сталей ограничивается его низкой размерной стойкостью, резко снижающейся с возрастанием твёрдости обрабатываемых материалов. В связи с этим наиболее перспективным инструментальным материалом является ПСТМ.

Лезвийный инструмент, оснащённый ПСТМ, применяют при высокоскоростном фрезеровании, точении, растачивании, сверлении и других видах обработки заготовок из чугунов, закалённых сталей, алюминиевых и цветных сплавов, композиционных неметаллических материалов.

Резцы токарные и расточные с режущим элементом из композита 01 предназначены для непрерывной обработки закалённых сталей (HRC = 40...70), чугунов (НВ = 160...600), твёрдых сплавов марок ВК15, ВК20, ВК25. Резцы позволяют вести тонкую и чистовую обработку с глубиной резания 0,1... 0,7 мм.

Резцы токарные и расточные с режущим элементом из композита 05 рекомендуется использовать для непрерывной обработки закалённой стали (HRC = 35...55), чугунов (НВ = 160...600) и других труднообрабатываемых материалов. Этими резцами можно проводить чистовую и получистовую обработку с глубиной резания 0,2...2,0 мм.

Резцы токарные и расточные с режущим элементом из композита 10 предназначены для прерывистой (с ударом) обработки закалённой стали (HRC = 40...60), чугунов (НВ = 160...600), твёрдых сплавов марок ВК15, ВК20, ВК25. Резцы позволяют вести тонкую, чистовую и получистовую обработку с глубиной резания 0,1...1,0 мм, в некоторых случаях до 2,0 мм.

На рис. 1.4 представлен пример конструктивного исполнения инструмента с ПСТМ – универсального резца, который может использоваться для токарных и фрезерных операций.

Геометрические параметры: передний угол g = –5°…–10°; задние углы (главный и вспомогательный) a = a1 = 10° – 20°; главный угол в плане j = 30° – 45°, вспомогательный угол в плане j1 = 15°; угол наклона главной режущей кромки l = 0°, радиус скругления при вершине резца r = 0,1 – 0,6 мм (в некоторых случаях радиус заменяют дополнительной режущей кромкой длиной 0,3 – 0,8 мм при вершине резца, расположенной параллельно обрабатываемой поверхности).

Рабочие поверхности резца после заточки должны быть доведены. Доводка режущих поверхностей у инструмента из композитов (особенно композитов 05 и 10) до Ra = 0,16 мкм позволяет уменьшить износ резцов в этом случае на 20...30% по сравнению с резцами, имеющими шероховатость Ra = 0,32 мкм, и на 60...70% по сравнению с резцами, имеющими шероховатость Ra = 0,45...0,63 мкм.

Рекомендуемая величина допустимого износа по задней поверхности для всех марок композитов 0,3...0,4 мм.

Большое влияние на стойкость резцов с ПСТМ во время работы оказывает радиус при вершине резца. Он должен строго сопрягаться с режущими кромками. Замена радиуса при вершине резца на фаску не допускается для резцов из композита 10, так как это приводит к скалыванию режущих кромок резца уже в начальный период работы.

 

Увеличение скорости резания является важным фактором повышения интенсивности обработки заготовок при автоматизированных процессах. В табл. 1.6 представлены рекомендуемые для обработки различных материалов величины скорости резания.

 

Таблица 1.6

Диапазон скоростей резания при обработке различных материалов режущим инструментом, оснащённым ПСТМ

 

Обрабатываемый материал	Скорость резания, м/мин
	точение	торцевое фрезерование
Стали в состоянии поставки (термически не обработанные) HRC £ 30	–	400 – 900
Закалённые стали (HRC 35 – 55)	50 – 200	200 – 600
Закалённые стали (HRC 55 – 70)	40 – 120	80 – 300
Серые и высокопрочные чугуны (НВ 150 – 300)	300 – 1000	600 – 3000
Отбеленные (НВ 400 – 600) и закалённые (HRC 40 – 60) чугуны	40 – 200	150 – 800

 

В табл. 1.7 – 1.9 представлены рекомендуемые режимы резания при обработке различных материалов инструментом, оснащённым композитами [12].

Таблица 1.7

Рекомендуемые режимы резания при точении и растачивании

материалов инструментом, оснащённым композитом 01

 

Обрабатываемый материал	Вид обработки	Режимы резания
		скорость V, м/мин	подача S, мм/об	глубина t, мм
Стали инструментальные, легированные, конструкционные (HRC 40 – 60)	Чистовая Тонкая	60 – 120 80 – 180	0,05 – 0,08 0,005 – 0,02	0,3 – 0,6 0,05 – 0,03
Стали быстрорежущие, высоколегированные (HRC 58 – 70)	Чистовая Тонкая	60 – 120 80 – 150	0,04 – 0,07 0,005 – 0,02	0,1 – 0,4 0,05 – 0,1
Чугуны серые и высокопрочные (НВ 160 – 270)	Чистовая	400 – 600	0,02 – 0,07	0,2 – 0,6
Чугуны отбеленные, закалённые (НВ 400 – 600)	Чистовая	100 – 200	0,02 – 0,07	0,2 – 0,6
Твёрдые сплавы для штампов и пресс-форм (ВК15, 20, 25)	Тонкая	8 – 12	0,005 – 0,02	0,05 – 0,1

 

Таблица 1.8

Рекомендуемые режимы резания при точении и растачивании

материалов инструментом, оснащённым композитом 05

 

Обрабатываемый материал	Вид обработки	Режим резания
		скорость V, м/мин	подача S, мм/об	глубина t, мм
Стали инструментальные, легированные, конструкционные (НRC 35 – 55)	Получистовая	50 – 100	0,1 – 0,2	1 – 2
	Чистовая	60 – 120	0,05 – 0,08	0,4 – 1,0
Чугуны серые и высокопрочные (НВ 400 – 600)	Получистовая	200 – 400	0,1 – 0,2	1 – 2
	Чистовая	400 – 600	0,02 – 0,07	0,2 – 0,8
Чугуны отбеленные, закалённые (НВ 400 – 600)	Получистовая	100 – 200	0,1 – 0,2	1 – 2
	Чистовая	100 – 200	0,02 – 0,07	0,2 – 0,8

 

 

Таблица 1.9

Рекомендуемые режимы резания при прерывистом точении и

растачивании материалов инструментом, оснащённым композитом 10

 

Обрабатываемый материал	Вид обработки	Режим резания
		скорость V, м/мин	подача S, мм/об	глубина t, мм
Стали инструментальные, легированные, конструкционные (HRC 40 – 60)	Получистовая Чистовая Тонкая	40 – 90 50 – 100 60 – 100	0,1 – 0,15 0,04 – 0,06 0,005 – 0,02	0,3 – 0,5 0,1 – 0,3 0,05 – 0,1
Стали быстрорежущие, высоколегированные (HRC 58 – 70)	Чистовая Тонкая	40 – 70 60 – 80	0,03 – 0,07 0,005 – 0,02	0,2 – 0,4 0,05 – 0,1
Чугуны серые и высокопрочные (НВ 160 – 270)	Получистовая Чистовая	60 – 100 100 – 160	0,1 – 0,15 0,02 – 0,07	0,5 – 0,7 0,2 – 0,5
Чугуны отбеленные, закалённые (НВ 400 – 600)	Получистовая Чистовая	60 – 100 100 – 160	0,1 – 0,15 0,02 – 0,07	0,5 – 0,7 0,2 – 0,5
Твёрдые сплавы для штампов и прессформ (ВК15, 20, 25)	Чистовая Тонкая	5 – 10 8 – 12	0,04 – 0,09 0,005 – 0,02	0,1 – 0,2 0,05 – 0,1