CC BY
141
УДК 681.325; 619
Б.Э. Шлишевский, А.Н. Соснов, А.А. Марач
СГГ А, Новосибирск
СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНО-ПРИБОРОСТРОЕНИИ, ИНТЕНСИВНЫЕ РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ
В виде описания графической таблицы показаны достижения скорости резания при обработке металлических заготовок в машино-приборостроении на основе ресурсных технологий включая современные инструментальные материалы и инструменты на их основе.
Основой ресурсных технологий являются современные станки с УЧПУ, и современные инструментальные материалы и инструменты на их основе.
B.E. Shlishevsky, A.N. Sosnov, A.A. Marach
SSGA, Novosibirsk
MODERN TOOL MATERIALS IN MACHINE-BUILDING AND INSTRUMENT-MAKING, INTENSIVE CUTTING MODES
The paper presents the description of a graphical table of the cutting rate achievements as concerns metal blanks working in machine-building and instrument-making on the basis of the resource technologies, including modern tool materials and the tools made of them.
Modern NC machines, tool materials and tools made of them are the basis of the resource technologies.
В виде описания и, графической таблицы показаны достижимые скорости резания при обработке металлических заготовок в машино-приборостроении на основе ресурсных технологий, включая современные инструментальные материалы и инструменты на их основе.
Основой ресурсных технологий в металлообработке являются современные станки с УЧПУ, и современные инструментальные материалы и инструменты на их основе.
В виде графической таблицы и описания основных свойств показаны максимальные скорости резания в машино-приборостроении, достижимые в настоящее время, при обработке конструкционных материалов, из черных и цветных металлов с использованием ресурсных технологий.
Быстрорежущие стали, твердосплавные вольфрамосодержащие и безвольфрамовые твердые сплавы; скоростное и сверхскоростное резание, автоматическим оборудованием с высокой динамикой и УЧПУ.
Для снижения затрат на единицу продукции механообработки целесообразно более широко внедрять интенсивные: силовые (за счет
повышения глубины и подачи), скоростные и высоко-скоростные режимы резания.
Это относиться как к телам вращения, так и к телам других геометрических форм.
Термин «скоростное резание» появилось в середине прошлого века в связи созданием новых, к тому времени, инструментальных материалов на основе карбидов вольфрама - твердых сплавов, которые изготавливались в виде многогранных пластин, методом порошковой металлургии. Основой этих материалов были карбиды вольфрама WC, в совокупности с небольшими долями карбидов титана TiC и тантала TaC, внедренные в кобальтовую связку. Пластины имели одну режущую кромку, выпускались разных форм: прямоугольные, треугольные, квадратные, круглые и другие и крепились на металлическую державку методом пайки. Инструменты с твердосплавными пластинами позволили увеличить скорости резания при обработке заготовки из стали, чугуна, цветных сплавов, в 3-4 раза, и соответственно увеличить в столько же раз объем снимаемой стружки в единицу времени. К примеру, обработка стали 45 точением при средней величине среза стружки со скоростью 120-140 м/мин., что в 3-4 раза выше, чем точение, так называемыми «Быстрорежущими сталями» класса НSS марок P18; Р9; Р6 М5 и другими, которые использовались в промышленности при металлообработке.
Термин «Скоростное резание» утвердился в литературе у нас и за рубежом, поскольку быстрорежущие стали все еще широко используются в приборостроительных отраслях промышленности [1] и имеют свою нишу применения машино - приборостроении.
Параллельно, с выше указанными достижениями, велись интенсивные работы по изысканию еще более эффективных инструментальных материалов и конструкций инструментов, которые обеспечили дальнейшее существенное возрастание режимов резания и минутного съема металла (за счет сверхскоростного и силового резания). И тогда появился термин «Сверхскоростное резание», но оба эти понятия относительны и их реализация зависит от многих факторов, в частности от обрабатываемого материала. При точении никелевых сплавов скорость резания 150-200 метров в минуту является значительным достижением, а обработку чугунов СЧ-20 при наличии
качественного инструмента из нитрида кремния ^3^) можно производить на скоростях 1200 - 1800 метров в минуту. Некоторые алюминиевые сплавы и бронзу можно обрабатывать на еще более высоких скоростях резания до 3000 метров в минуту, а чистый алюминий до 5000 мин-1.
Прогрессивные, высокостойкие инструменты на всех этапах развития промышленного производства являлись одним из доминирующих
компонентов роста производительности труда и оказывали решающее воздействие на развитие и совершенствование конструкции станочного оборудования. С увеличением уровня автоматизации в непрерывном производстве роль качества инструмента, его стойкости, режущей способности ещё более возрастает. Инструменты обеспечивают не только снижение затрат машинного времени, но безаварийность работы
оборудования, стабильное качество и комфортность обслуживания.
Экономия времени обработки достигается:
1. Путём оптимизации и форсирования режимов резания, в первую
очередь, скорости резания, за счёт предельного использования ресурсов
инструмента и технических характеристик станка по эффективной мощности, максимальным крутящим моментам на шпинделе, по предельным числам оборотов и подачам, по жёсткости и вибро-устойчивости системы станок -приспособление - инструмент - заготовка /СПИЗ/, определяемым наибольшим съёмом стружки в единицу времени;
2. Сокращением времени всех видов холостых ходов в 5-10 раз, на порядок и более;
3. Снятием припуска с наименьшим числом проходов, увеличением глубины резания и подачи при черновой обработке; уменьшением припусков за счёт использования рациональных заготовок;
4. Сокращением длинны обработки, приходящейся на каждый инструмент, при использовании многоинструментных наладок;
5. Особая роль в повышении режимов резания и снижении затрат машинного времени принадлежит новым инструментальным материалам и усовершенствованным по конструкции лезвийным инструментам повышенного качества с механическим креплением многогранных неперетачиваемых пластин /МНП/ из твердосплавных вольфрамовых и безвольфрамовых материалов с многослойным упрочняющим покрытием; пластин из новых марок нитридной, оксидной, карбидной керамики и из сверхтвердых материалов на основе кубического нитрила бора.
6. Вольфрамовые и безвольфрамовые сплавы по жесткости и виброустойчивости системы станок - приспособление - инструмент - заготовка (СПИЗ), определяемыми, что может быть определенно наибольшим объемом стружки, срезаемым в единицу времени, или допустимым прогибом державки резца.
Вольфрамосодержащие твердосплавные инструменты с МНП при оптимальном выборе, с упрочняющем покрытием и стружко-ломающими канавками при выполнении требований к качеству обработки, имеют время оптимальной стойкости в 2-4 раза превышающее стойкость напаянных твердосплавных пластин без покрытия. Позволяют увеличить скорости резания при точении и фрезерование на 80-250% и осуществить сверхскоростные режимы резания.
Промышленностью освоена большая номенклатура МНП не только для точения чернового и чистового растачивания, фрезерования или зенкерования и сверления отверстий диаметром более 6-15 м (рис.2), но для прорезки наружных и внутренних канавок, отрезки заготовки, рассверления, развертывания, зенкерования и резьбонарезаения, то есть для операции, где традиционно применяется «быстрорежущий» инструмент и умеренные режимы работы. Здесь скорости резания, при определенных условиях могут возрасти на 200-600%. Сокращается число переходов, например, центровка отверстий, сверление, рассверливание, зенкерование выполняются одним твердосплавным сверлом с СМП оригинальной конструкции, обеспечивающей точность по 6-7 квалитету. Отпадает необходимость в операциях развертывания и шлифования.
Следует отметить, что для повышения стойкости режущих пластин и универсального инструмента, как уже упоминалось, применяются износостойкие покрытия МНП различного состава: Т1К-Т1С/ЫС-Ы-А12Оз; ТЫ-Т1С/К-Т1Ы; ТЮ-ТЫ и других составов, которые повышают их срок службы в 2-4 раза и более.
Материалы для изготовления режущих инструментов (исключая процессы шлифования) нами условно разделены на 9 поколений.
На рис. 1 укрупнено показаны допустимые скорости резания, применительно к оптическому приборостроению, при средних величинах подач и глубины срезаемой стружки, применительно к инструментальной стали 45 (как весьма распространенной). При этом использовались известные в литературе формулы приведения к единой соразмерности. Допускаемая погрешность ±10-20% . Для крупногабаритных массивных деталей,
вписывающихся в куб со стороной свыше 500-600 мм режимы резания инструмента из материалов 4; 6; 7; 8; 9; могут быть выше на 15-30% выше указанных на рис. 1.
2000 -------------------------------г—I
1000
1910 1930 1960 1950 2000 2009
Капшдарные годы
Рис. 1
Прогрессивные, высокостойкие инструменты на всех этапах развития промышленного производства являлись одним из доминирующих компонентов роста производительности труда и оказывали решающее, воздействие на развитие конструкции и другого технологического оборудования и машин. С увеличением уровня автоматизации в непрерывном производстве роль качества инструмента, его стойкости, режущей способности ещё более возрастаете. Прогрессивные инструменты обеспечивают не только снижение затрат машинного времени, но безаварийность работы оборудования, стабильное
размерное качество поверхности стружкодробление и комфортность обслуживания.
Экономия затрат времени на механическую обработку деталей достигается:
- Снятие припуска с наименьшеним числом проходов, увеличением глубины резания или подачи при черновой обработке; уменьшение припусков за счет использования рациональных заготовок; сокращением длины обработки, приходящейся на каждый инструмент при использовании многоинструментальных наладок путем оптимизации оптимизации и форсирования режимов резания, в первую очередь- скорости резания, за счет предельного использования динамических ресурсов, и технических характеристик станка по эффективной мощности приводов, максимальным крутящим моментам на шпинделе, по предельным числам оборотов шпинделя по скорости подачи, при чистовой получистовой обработке по жесткости и виброустойчивости системы станок - приспособление - заготовка СПИЗ и наибольшим объемом стружки, снимаемым в единицу времени, а также сокращением затрат вспомогательного времени на замену и отладку инструмента.
В повышении режимов резания и снижении машинного времени важная роль принадлежит новым инструментальным материалам и усовершенствованным по конструкции, лезвийным инструментам повышенного качества: с механическим креплением многогранных поворотных не
перетачиваемых пластин (МНП) из твердосплавных материалов на основе карбидов, вольфрама, с упрочняющим покрытием из новых марок оксидной карбидной, нитридной керамики, из сверхтвердых материалов на основе кубического нитрида бора и некоторых других материалов, показаны на рис. 1.
Рост допустимой скорости резания применительно к оптическому приборостроению инструментами из различных материалов.
Позиции 1 -9 это поколения инструментов по годам их создания для обработки стали 45.
Материалы:
1 - инструментальная сталь; 2 - быстрорежущая сталь; 3 - твердосплавный вольфрамосодержащий сплав - напаянные пластины; 4 - минералокерамика; 5 -алмазы - корбонадо для финишной обработки цветных металлов на основе алюминия и меди, имеют ограниченное применение; 6 - твердосплавные СМП с покрытием; 7 - безвольфрамовые твердые сплавы с покрытием керметы; 8 -сверхтвердые материалы (СТМ) на основе кубического нитрида бора, композиты (01, 02, 05), (эльбор, бельбор, гексанит, томал 10, скорость резания которых составляет до 200 м/мин - закаленные стали до НЯСЭ (55-60); конструкционные и инструментальные стали, отбеленный чугун; 9 - новые минералокерамические инструментальные материалы - (нитрид кремния 31Ы4 -веданит; 31Ы4 +Т1С - силинит
Таким образом сложилась благоприятная производственная обстановка, когда наибольшее число механических деталей в оптическом приборостроении, как это видно из рис. 1, можно выполнять на интенсивных скростных и
сверхсткоростных режимах резания, и во многих случаях возможно увеличение съема металла за счет таких компонентов как повышение параметров подачи, а в иных случаях глубины резания (при черновой обработке). Это очень важные факторы при их использовании на производстве, поэтому можно их рекомендовать к еще более широкому применению к машино-
приборостроению.
Твердосплавные пластинки со стружколомающими канавками, креплением и упрочняющими покрытиями для операции точения, растачивания, фрезерования, сверления, нарезания резьбы, прорезки канавок и отрезки канавок и отрезания заготовок.
Рис. 3 Рис. 4
Скоростной (п^ = 1600 мин-1) Вертикально-горизонтальный
токарный станок для высокоскоростной сверлильно-
приборостроения фронтальной фрезерно - расточной станок с
компоновки «Шпинер» (ФРГ) магазином на 70 инструментов, со
снятым ограждением рабочей зоны
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. «Металлообработка - 89». Оборудование, приспособления, технология,
инструменты для обрабатывающей промышленности. Описания и доклады (ФРГ, Швейцария) / К. Ханзен. - Мюнхен, 1989. - 280 с.
2. Металлообработка - 84, 86, 89, М. Каталоги и материалы фирм по оснастке и инструменту ВНИИ инструмента фирм Krupp Nidia, Walter, Heiter, Feldmule AG (ФРГ), Sandvik Caromant (Швейцария), Peansee (Австрия), Forkapkardt, Rohn Bilz (ФРГ), Yamarahi (Япония), Burocold, Difomatic (Италия), Microbore, Microset Mihrononit, Geldimeicter (ФРГ), Саmetpnecision (Франция). Всего 122 каталога и описания 80 производителей 1987-1989 гг.
3. Материалы симпозиума, каталоги и описания устройств удаления заусенцев, гранта, линейных наплывов и методом термовзрыва и химреагентами в системе ГАП. - М., 1986-1989 гг.
4. Концепция технологии 100-х годов. Автоматика и робототехника / Штейнхимлер Р., Модернеиндустри (ФРГ) и Ост-Контакт (Швейцария). - 1989. - № 2. - С. 12.
5. Высокоскоростная обработка / В.А. Потапов, Г.И. Айзеншток: обзор. - М.: ВНИИТЭМР. Сер. 1. - 1996. - Вып. 9. - С. 60.
6. Шлишевский, Б.Э. Направления развития технологии и оборудования автоматизированной обработки корпусных деталей. Новосибирск: ЦНТИ, 2006. - С. 32.
7. Шлишевский, Б.Э. Многоцелевые станки с ЧПУ для обработки корпусных деталей и пути повышения их эффективности. - М.: ВНИИТЭМР. Серия I. - 2005. - С. 64.
8. Современный инструмент для автоматизированной обработки конструкционных материалов в оптико-электронном приборостроении / Б.Э. Шлишевский, Е.Ю. Кутенкова // Вестник СГГА. - 2005. - № 10. - С. 170-174.
© Б.Э. Шлишевский, А.Н. Соснов, А.А. Марач, 2010
