Hlavnými požiadavkami na materiály nástrojov sú tvrdosť, odolnosť voči opotrebovaniu, teplu atď. Splnenie týchto kritérií umožňuje rezanie. Aby prenikli do povrchových vrstiev spracovávaného produktu, čepele na rezanie pracovnej časti musia byť vyrobené zo silných zliatin. Tvrdosť môže byť prirodzená alebo získaná.
Napríklad továrensky vyrobené nástrojové ocele sa dajú ľahko rezať. Po mechanickom a tepelnom spracovaní, ako aj brúsení a ostrení sa ich pevnosť a tvrdosť zvyšuje.
Ako sa určuje tvrdosť?
Charakteristika môže byť definovaná rôznymi spôsobmi. Nástrojové ocele majú tvrdosť podľa Rockwella, tvrdosť má číselné označenie, ako aj písmeno HR so stupnicou A, B alebo C (napríklad HRC). Výber materiálu nástroja závisí od druhu spracovávaného kovu.
Najstabilnejší výkon a nízke opotrebovanie čepelí, ktoréboli tepelne spracované, je možné dosiahnuť s HRC 63 alebo 64. Pri nižšej hodnote nie sú vlastnosti nástrojových materiálov také vysoké a pri vysokej tvrdosti sa začínajú drobiť v dôsledku krehkosti.
Kovy s tvrdosťou HRC 30-35 sú dokonale opracované železnými nástrojmi, ktoré boli tepelne spracované s HRC 63-64. Pomer indikátorov tvrdosti je teda 1:2.
Na spracovanie kovov s HRC 45-55 by sa mali používať nástroje, ktoré sú na báze tvrdých zliatin. Ich index je HRA 87-93. Na tvrdené ocele možno použiť materiály na syntetickej báze.
Pevnosť materiálov nástrojov
Počas procesu rezania pôsobí na pracovnú časť sila 10 kN alebo viac. Vyvoláva vysoké napätie, ktoré môže viesť k zničeniu nástroja. Aby sa tomu zabránilo, rezné materiály musia mať vysoký bezpečnostný faktor.
Najlepšiu kombináciu pevnostných charakteristík majú nástrojové ocele. Pracovná časť z nich vyrobená dokonale odoláva veľkému zaťaženiu a môže fungovať pri stláčaní, krútení, ohýbaní a naťahovaní.
Vplyv kritickej teploty ohrevu na čepele nástroja
Keď sa pri rezaní kovov uvoľňuje teplo, ich čepele sa zahrievajú, vo väčšej miere - povrchy. Keď je teplota pod kritickou značkou (pre každý materiál má svoju vlastnú)štruktúra a tvrdosť sa nemenia. Ak sa teplota ohrevu zvýši nad prípustnú normu, úroveň tvrdosti klesne. Kritická teplota sa nazýva červená tvrdosť.
Čo znamená výraz "červená tvrdosť"?
Červená tvrdosť je vlastnosťou kovu, ktorý pri zahriatí na teplotu 600 °C žiari tmavočerveno. Termín znamená, že kov si zachováva svoju tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu. Jadrom je schopnosť odolávať vysokým teplotám. Pre rôzne materiály existuje limit, od 220 do 1800 °C.
Ako možno zvýšiť výkon rezného nástroja?
Nástrojové materiály rezného nástroja sa vyznačujú zvýšenou funkčnosťou pri zvyšovaní teplotnej odolnosti a zlepšovaní odvodu tepla vznikajúceho na čepeli pri rezaní. Teplo zvyšuje teplotu.
Čím viac tepla sa odvádza z čepele hlboko do zariadenia, tým nižšia je teplota na jej kontaktnom povrchu. Úroveň tepelnej vodivosti závisí od zloženia a ohrevu.
Napríklad obsah prvkov ako volfrám a vanád v oceli spôsobuje zníženie jej tepelnej vodivosti a prímes titánu, kob altu a molybdénu spôsobuje jej zvýšenie.
Čo určuje koeficient klzného trenia?
Koeficient klzného trenia závisí od zloženia a fyzikálnych vlastností kontaktných párov materiálov, ako aj od hodnoty napätia na povrchoch,vystavené treniu a pošmyknutiu. Koeficient ovplyvňuje odolnosť materiálu proti opotrebovaniu.
Interakcia nástroja s materiálom, ktorý bol spracovaný, prebieha neustálym pohyblivým kontaktom.
Ako sa v tomto prípade správajú inštrumentálne materiály? Niektoré druhy sa opotrebovávajú rovnako.
Vyznačujú sa:
- schopnosť vymazať kov, s ktorým príde do kontaktu;
- schopnosť preukázať odolnosť voči opotrebovaniu, to znamená odolávať oderu iného materiálu.
Opotrebenie čepele sa deje neustále. V dôsledku toho zariadenia strácajú svoje vlastnosti a mení sa aj tvar ich pracovnej plochy.
Odolnosť proti opotrebeniu sa môže líšiť v závislosti od podmienok rezania.
Na aké skupiny sa delia nástrojové ocele?
Hlavné inštrumentálne materiály možno rozdeliť do nasledujúcich kategórií:
- cermet (tvrdé zliatiny);
- cermety alebo minerálna keramika;
- nitrid bóru na báze syntetického materiálu;
- syntetické diamanty;
- Nástrojové ocele na báze uhlíka.
Nástrojové železo môže byť uhlíkové, zliatinové a vysokorýchlostné.
Nástrojové ocele na báze uhlíka
Na výrobu nástrojov sa začali používať uhlíkaté materiály. Ich rýchlosť rezania je nízka.
Ako sa označujú nástrojové ocele? Materiály sú označené písmenom (napríklad „U“znamená uhlík), ako aj číslom (ukazovatele desatín percenta obsahu uhlíka). Prítomnosť písmena „A“na konci označenia označuje vysokú kvalitu ocele (obsah látok ako síra a fosfor nepresahuje 0,03 %).
Uhlíkový materiál má tvrdosť 62-65 HRC a odolnosť voči nízkym teplotám.
Nástrojové materiály tried U9 a U10A sa používajú pri výrobe píl a rady U11, U11A a U12 sú určené pre ručné závitníky a iné nástroje.
Úroveň teplotnej odolnosti ocelí radu U10A, U13A je 220 °C, preto sa odporúča používať nástroje vyrobené z takýchto materiálov pri reznej rýchlosti 8-10 m/min.
legované železo
Zliatinovým nástrojovým materiálom môže byť chróm, chróm-kremík, volfrám a chróm-volfrám s prímesou mangánu. Takéto série sú označené číslami a majú aj písmenové označenia. Prvý ľavý údaj udáva koeficient obsahu uhlíka v desatinách, ak je obsah prvku menší ako 1 %. Čísla napravo predstavujú priemerný obsah legovania v percentách.
Nástrojový materiál triedy X je vhodný na výrobu závitníkov a matríc. Oceľ B1 je vhodná na výrobu malých vrtákov, závitníkov a výstružníkov.
Úroveň teplotnej odolnosti legovaných látok je 350-400 °C, takže rýchlosť rezania je jedenapolkrát vyššia ako uuhlíková zliatina.
Na čo sa používajú vysokolegované ocele?
Pri výrobe vrtákov, záhlbníkov a závitníkov sa používajú rôzne materiály pre rýchle rezné nástroje. Sú označené písmenami aj číslami. Dôležitými zložkami materiálov sú volfrám, molybdén, chróm a vanád.
HSS sú rozdelené do dvoch kategórií: normálne a vysokovýkonné.
Normálne výkonné ocele
Do kategórie železa s normálnou úrovňou úžitkových vlastností patria triedy R18, R9, R9F5 a zliatiny volfrámu s prímesou molybdénu radu R6MZ, R6M5, ktoré si zachovávajú tvrdosť minimálne 58 HRC pri 620 °C. Vhodné pre uhlíkové a nízkolegované ocele, sivú liatinu a neželezné zliatiny.
Vysokovýkonné ocele
Táto kategória zahŕňa triedy R18F2, R14F4, R6M5K5, R9M4K8, R9K5, R9K10, R10K5F5, R18K5F2. Sú schopné udržať HRC 64 pri teplotách od 630 do 640 °C. Táto kategória zahŕňa supertvrdé nástrojové materiály. Je určený pre železo a zliatiny, ktoré sa ťažko opracujú, ako aj titán.
Hardmetals
Takéto materiály sú:
- cermet;
- minerálna keramika.
Tvar dosiek závisí od vlastností mechaniky. Tieto nástroje pracujú pri vysokej rýchlosti rezania v porovnaní s vysokorýchlostným materiálom.
Kovová keramika
Cermetové karbidy sú:
- tungsten;
- volfrám titán;
- volfrám s obsahom titánu a tantalu.
Séria VK obsahuje volfrám a titán. Nástroje založené na týchto komponentoch majú zvýšenú odolnosť proti opotrebeniu, ale ich úroveň odolnosti proti nárazu je nízka. Zariadenia na tomto základe sa používajú na spracovanie liatiny.
Zliatina volfrámu, titánu a kob altu je použiteľná pre všetky druhy železa.
Syntéza volfrámu, titánu, tantalu a kob altu sa používa v špeciálnych prípadoch, keď sú iné materiály neúčinné.
Karbidové triedy sa vyznačujú vysokou úrovňou teplotnej odolnosti. Materiály vyrobené z volfrámu si dokážu zachovať svoje vlastnosti s HRC 83-90 a volfrám s titánom - s HRC 87-92 pri teplote 800 až 950 °C, čo umožňuje pracovať pri vysokých rezných rýchlostiach (od 500 m/min. do 2700 m/min pri obrábaní hliníka).
Na opracovanie dielov, ktoré sú odolné voči hrdzi a vysokým teplotám, sa používajú nástroje zo série jemnozrnných zliatin OM. Trieda VK6-OM je vhodná na konečnú úpravu, zatiaľ čo VK10-OM a VK15-OM sú vhodné na polodokončovanie a hrubovanie.
Ešte efektívnejšie pri práci s „náročnými“dielmi sú supertvrdé nástrojové materiály rady BK10-XOM a BK15-XOM. Nahrádzajú karbid tantalu karbidom chrómu, vďaka čomu sú odolnejšie, aj keď sú vystavené vysokým teplotám.
Na zvýšenie úrovne pevnosti pevnej dosky sa uchyľujú k jej potiahnutiu ochrannou fóliou. Používa sa karbid titánu, nitrid a karbonit, ktoré sa nanášajú vo veľmi tenkej vrstve. Hrúbka je od 5 do 10 mikrónov. V dôsledku toho sa vytvorí vrstva jemnozrnného karbidu titánu. Tieto doštičky majú trojnásobnú životnosť nástroja než doštičky bez povlaku, čím zvyšujú rýchlosť rezania o 30 %.
V niektorých prípadoch sa používajú cermetové materiály, ktoré sa získavajú z oxidu hlinitého s prídavkom volfrámu, titánu, tantalu a kob altu.
Minerálna keramika
Minerálna keramika TsM-332 sa používa na rezné nástroje. Má vysokú teplotnú odolnosť. Index tvrdosti HRC je od 89 do 95 pri 1200 °C. Materiál sa tiež vyznačuje odolnosťou proti opotrebeniu, čo umožňuje spracovanie ocele, liatiny a neželezných zliatin pri vysokých rezných rýchlostiach.
Na výrobu rezných nástrojov sa používa aj cermet série B. Je založený na oxide a karbidu. Zavedenie karbidu kovu, ako aj molybdénu a chrómu do zloženia minerálnej keramiky, pomáha optimalizovať fyzikálne a mechanické vlastnosti cermetu a eliminuje jeho krehkosť. Zvyšuje sa rýchlosť rezania. Polodokončovanie a konečná úprava nástrojom na báze cermetu je vhodná pre šedú tvárnu liatinu, ťažkoobrobiteľnú oceľ a množstvo farebných kovov. Proces sa uskutočňuje rýchlosťou 435-1000 m/min. Rezaná keramika je odolná voči teplotám. Jeho tvrdosť je HRC90-95 pri 950-1100 °С.
Na spracovanie tvrdeného železa, odolnej liatiny, ale aj sklolaminátu sa používa nástroj, ktorého rezná časť je vyrobená z pevných látok s obsahom nitridu bóru a diamantov. Index tvrdosti elboru (nitrid bóru) je približne rovnaký ako index tvrdosti diamantu. Jeho odolnosť voči teplote je dvakrát vyššia ako u druhého. Elbor sa vyznačuje inertnosťou voči železným materiálom. Hranica pevnosti jeho polykryštálov v tlaku je 4-5 GPa (400-500 kgf/mm2) a pri ohybe - 0,7 GPa (70 kgf/mm 2). Teplotná odolnosť je do 1350-1450 °C.
Za zmienku stoja aj diamantové balasky na syntetickej báze série ASB a carbonado série ASPK. Chemická aktivita týchto látok voči materiálom obsahujúcim uhlík je vyššia. Preto sa používa pri ostrení dielov z neželezných kovov, zliatin s vysokým obsahom kremíka, tvrdých materiálov VK10, VK30, ako aj nekovových povrchov.
Životnosť nástrojov na rezanie uhlíka je 20-50-krát dlhšia ako v prípade tvrdých zliatin.
Aké zliatiny sa používajú v priemysle?
Inštrumentálne materiály vychádzajú po celom svete. Druhy používané v Rusku, USA a Európe väčšinou neobsahujú volfrám. Patria do série KNT016 a TN020. Tieto modely sa stali náhradou za značky T15K6, T14K8 a VK8. Používajú sa na spracovanie ocelí na konštrukcie, nehrdzavejúcej ocele a nástrojových materiálov.
Nové požiadavky na materiály nástrojov z dôvodu nedostatku volfrámu akob alt. Presne s týmto faktorom sa v USA, európskych krajinách a Rusku neustále vyvíjajú alternatívne metódy získavania nových tvrdých zliatin, ktoré neobsahujú volfrám.
Napríklad nástrojové materiály rady Titan 50, 60, 80, 100 vyrábané americkou spoločnosťou Adamas Carbide Co obsahujú karbid, titán a molybdén. Zvýšenie čísla udáva stupeň pevnosti materiálu. Charakteristika nástrojových materiálov tohto uvoľnenia znamená vysokú úroveň pevnosti. Napríklad séria Titan100 má pevnosť 1000 MPa. Je konkurentkou keramiky.
