1. Основные принципы работы

И КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

1.1. Режущие инструменты - основное звено в процессах формообразования

Качество выпуска машиностроительных изделий и производительность труда предопределяются технологическим оснащением технологических процессов, которые включают в себя оборудование, приспособления, режущий и мерительный инструмент. Все элементы технологического оснащения взаимосвязаны между собой и развитие одного направления неизбежно приводит к развитию параллельных направлений.

Вплоть до первого десятилетия XX в. единственным инструментальным матери­алом, пригодным для изготовления ме­таллорежущих инструментов, была угле­родистая инструментальная сталь. Из-за низкой температуро- и износостойкости изготовленными из нее инструментами можно было обрабатывать углеродистые стали и чугуны с низкими скоростями резания и невысоким эксплуатационным ресурсом. Обработка метал­лов была малопроизводительна и не­экономична. При этом существовала тесная взаи­мосвязь между режимными возможностя­ми углеродистых металлорежущих инст­рументов и техническим уровнем метал­лорежущих станков. Частота вращения шпинделя не превышала 300...500 об/мин. Станки имели маломощные приводы от ременных передач, так как потребляемая мощность не превышала 2... 3 кВт. Кон­струкции станков были нежесткими.

В начале XX в. была разработана первая высоколегированная инструмен­тальная сталь. Эта сталь в качестве легирующих присадок содержала 18% вольфрама, 4,5 % хрома и 1 % ванадия. По сравнению с углеродистой новая сталь имела значительно более высокие физико-механические свойства, в особен­ности температуро- и износостойкость. Металлорежущие инструменты, изготов­ленные из этой стали, могли обрабаты­вать стали и чугуны со скоростями ре­зания 30... 60 м/мин (в 2...2,5 раза выше, чем инструментами из углеродистых инструментальных сталей). Благодаря этим качествам вновь разработанная сталь получила название быстрорежущей ста­ли.

Быстрорежущая сталь постепенно вытесняла углеродистую инструментальную сталь и заняла ведущее место в инструментальном производстве. В настоящее время более половины ме­таллорежущих инструментов изготовляют из быстрорежущих сталей.

В 20-х годах нашего века полному использованию преимуществ быстрорежу­щих инструментов препятствовал низкий технический уровень станочного парка, предназначенного для работы с инстру­ментами, выполненными из углеродистых сталей. Потребовалось полностью заме­нить весь тихоходный и маломощный парк металлорежущих станков новыми, технически более совершенными станка­ми с частотой вращения шпинделя до 1000 - 1500 об/мин и мощностью до 6 - 8 кВт. Это был первый скачок в раз­витии современной технологии механи­ческой обработки деталей, вызванный по­явлением более совершенного инструмен­тального материала. В годы первой пя­тилетки реконструируемые и вновь строя­щиеся машиностроительные за­воды оборудовались импортными метал­лорежущими станками, рассчитанными на использование быстрорежущего инстру­мента. Новые инструментальные заводы приступили к производству быстрорежу­щих инструментов, а зарождающаяся станкостроительная промышленность на­чала разработку и выпуск собственных моделей металлорежущих станков, пред­назначенных для работы с быстрорежу­щим инструментом.

Большие успехи, достигнутые при перехо­де от углеродистых к высоколегирован­ным быстрорежущим сталям, дали основа­ния исследователям приступить к поискам новых композиций различных химических элементов, с помощью которых можно создать инструментальные материалы с еще более высокими физико-механически­ми свойствами. Исследования велись во многих промышленно развитых странах.

Режущие инструменты, оснащенные твердосплавными пластинками, стали постепенно вытеснять инструменты из быстрорежущих сталей. Сначала твердо­сплавными пластинками оснащались рез­цы, несколько позже фрезы, развертки. Затем, по мере развития инструменталь­ной технологии, твердыми сплавами ос­нащались фасонные инструменты, зубо- и резьбонарезные инструменты, протяжки.

В результате дальнейших поисков к середине 30-х годов был разработан но­вый твердый сплав, содержащий кроме карбидов вольфрама карбиды титана. Та­ким образом, начиная с середины 30-х го­дов в машиностроении применяются пластинки твердых сплавов двух групп. Из сплавов группы ВК выполняют инст­рументы, предназначенные для обработки чугунов, а из сплавов группы ВТК — инструменты для обработки сталей.

По таким важным параметрам, как твердость, предел прочности на сжатие, температуро- и износостойкость, твердые сплавы превосходят быстрорежущие ста­ли. Металлорежущие инструменты, осна­щенные твердосплавными пластинками, могут обрабатывать стали и чугуны со скоростями, в 2 - 3 раза превосходящими скорости, доступные инструментам из быстрорежущих сталей. Снова возникла ситуация, когда парк металлорежущих станков, рассчитанный на работу с быстрорежущим инструментом, сдержи­вал использование высоких режущих свойств твердосплавных инструментов. Таким образом, появление новых инстру­ментальных материалов — твердых спла­вов — вновь явилось причиной очередно­го скачка в области станкостроения и механической обработки деталей машин. Вновь возросли скоростные и мощностные характеристики станков. Частота вра­щения шпинделей станков повысилась до 2000 об/мин. Мощность, например, токар­ных станков достигла 13 - 15 кВт. Рацио­нальное использование нового станочного оборудования и твердосплавных инстру­ментов привело к повышению производи­тельности труда и экономичности обра­ботки металлов резанием.

С тех пор не было разработано но­вых композиционных инструментальных материалов на металлической основе, обладающих более высокими физико-ме­ханическими свойствами. Видимо, даль­нейшие возможности композиционной разработки новых составов металлических инструментальных материалов ограниче­ны, или даже исчерпаны.

В 40-х годах усилия ученых были направлены на разработку минеральных инструментальных материалов, физико-механические свойства которых превос­ходили бы свойства материалов на ме­таллической основе. В Московском хи­мико-технологическом институте была разработана минералокерамика на основе кристаллов корунда, получившая обозна­чение ЦМ332. Минералокерамика, обла­дая очень высокой температуро- и изно­состойкостью, имеет низкую прочность на изгиб, примерно в 10 раз меньшую, чем у быстрорежущих сталей, и в 3 - 4 раза меньшую, чем у твердых спла­вов. Минералокерамика оказалась очень хрупким материалом, склонным к локаль­ным выкрашиваниям. Ею оснащали рез­цы, предназначенные для скоростной окончательной обработки сталей и чугу­нов. Из-за хрупкости и низкой ударной вязкости широкого промышленного рас­пространения минералокерамика не по­лучила.

В 50-х годах была разработана тех­нология производства в промышленных масштабах синтетических алмазов. Ал­мазные шлифовальные круги нашли ши­рокое применение для производительной и качественной заточки твердосплавных инструментов, а также изделий из мине­ралов и полупроводниковых материалов. Резцы, оснащенные алмазом, использу­ются для обработки твердых, термообработанных металлов, минералов, загото­вок из алюминиевых сплавов с повышен­ными требованиями к качеству обработанной поверхности. Алмазными инденторами специальных форм выполняют ско­ростное выглаживание поверхностей.

В 60-х годах была разработана оригинальная технология изготовления синтетическо­го минерального материала из соедине­ния азота и бора, получившего название «эльбор». Шлифовальные круги из эльбора обладают повышенными режущими свойствами и предпочтительны для шли­фования изделий, изготовляемых из вы­соколегированных термообработанных сталей, например режущих, измерительных инструментов. Резцы, оснащенные лезви­ями из вставок эльбора, применяются для скоростного чистового точения чу­гунных заготовок, для обработки высоко­легированных стальных заготовок и ми­нералов.

Для рентабельного использования рез­цов, оснащенных вставками-лезвиями из синтетических алмазов и эльбора, и по­лучения обработанных поверхностей са­мого высокого качества необходимы виб­роустойчивые, прецизионные станки высо­кой жесткости. Станки должны иметь хорошо сбалансированные шпиндельные узлы и подшипники на воздушной по­душке. Следовательно, разработка каче­ственно новых видов инструментальных материалов вновь требует очередного по­вышения технического уровня металлоре­жущих станков и создает предпосылки для дальнейшего совершенствования тех­нологии всех отраслей машиностроения, связанных с обработкой металлов реза­нием.

Инструменты, изготовленные из новых инструментальных материалов, стабильно работают при высоких режимах резания на современных быстроходных и мощных металлорежущих станках, полуавтоматах, станках с программным управлением, автоматах и автоматических линиях. Все это в комплексе предопределяет высокий уровень технологии изготовления дета­лей в механообрабатывающих цехах ма­шиностроительных заводов. Дальнейшее повышение уровня технологии производ­ства машин определяется взаимосвязан­ным и взаимодополняющим развитием каждой составной части общего комплекса - инструмент, оборудования, степенью его автоматизации и механизации, параметрами рабочих режимов резания, научно обоснованным технологическим маршрутом обработки заготовок. В технологии, использующей обработку металлов резанием­, прогрессивное значение в прошлом принадлежало инструментальным материалом. Следует полагать, что их прогрессивная роль сохранится в обозримом будущем.