За необхідності забезпечення високої жорсткості інструмента і в тих випадках, коли конструктивно утруднене застосування твердосплавного інструмента з механічним кріпленням, застосовують твердосплавний інструмент з припаюваннями пластинками. Особливістю напаювання твердосплавних пластин є те, що з'єднуються два абсолютно різних (як за хімічним складом, так і за фізико-механічними властивостями) матеріали. Коефіцієнт лінійного розширення сталі приблизно в 2 рази більше, ніж твердого сплаву, що призводить у процесі охолоджування до деформації пластинки і державки, викликаючи в них значну напругу, яка може призвести до появи тріщин у твердому сплаві, шві і корпусі інструмента.
З’єднані припоєм твердий сплав і сталь, охолоджуючись, пружно взаємодіятимуть через припій і після охолодження матимуть загальну довжину. При цьому твердий сплав стане стиснутим, а сталь розтягнутою.
Низька теплоємність твердих сплавів у поєднанні з високим електричним опором обумовлює швидший нагрів твердого сплаву, ніж сталі. Знижена теплопровідність створює при нагріві і охолоджуванні різкі перепади температури; внаслідок цього через знижені міцні характеристики твердого сплаву при розтягуванні можуть утворюватися тріщини.
Технологія паяння повинна забезпечити досить міцне з'єднання пластинки твердого сплаву з корпусом і цілісність пластинки твердого сплаву у процесі виготовлення і експлуатації.
Зниження залишкової напруги в паяних з'єднаннях і зменшення тріщиноутворення в твердому сплаві повинні бути досягнуті:
а) збільшенням товщини корпусу або зменшенням товщини пластинки (відношення Н/h повинне бути >3);
б) застосуванням корпусу із сталей, що сприяють зниженню залишкової напруги в паяних з'єднаннях (наприклад, 35ХГСА та ін.);
в) пристроям низькотемпературних пластичних припоїв, що забезпечують менший перепад температури при охолоджуванні паяного з'єднання і велику можливість пластичної деформации паяного шва;
г) збільшенням товщини шару припою за рахунок застосування компенсаційних або кернуванням поверхні з'єднання;
д) гартуванням сталевого корпусу інструмента. При цьому об'єм корпусу збільшується, і внутрішня напруга в паяному з'єднанні зменшується;
е) застосуванням відпуску релаксації (при температурі 220-240°С не менше 8 год); при цьому знижуються внутрішні напруження за рахунок збільшення повзучості припою.
Приклад припоїв, що мають знижену температуру паяння і мають вищу пластичність, що сприяє релаксації напруги при охолоджуванні з'єднань: срібловмісні припої типу ПСр40, що мають температуру паяння 600-800 °С; тришарові срібловмісні припої, складені з мідної фольги (компенсаційна прокладка), плаковані з двох боків припоєм, наприклад ТМСр47М, а також припої підвищеної пластичності, наприклад, припій ПРМНМЦ 08-4-2.
Для високонавантажених з'єднань рекомендується застосовувати високоміцний припій ПРаНМЦ 0,6-4-2, хімічно активний флюс Ф-100 і гарт охолоджуванням після паяння корпусу під пластинкою. У практиці застосовують мідні і латунні припої.
Пази під пластини твердого сплаву (рисунок 1.4) роблять відкритими (різці, ножі збірного інструмента), напівзакритими (різці, зенкери, фрези) і закритими (свердла). Площини пазів обробляють переважно фрезеруванням з шорсткістю Rz = 40-10мкм. Твердосплавні пластини не повинні мати тріщин, відколів і викривлень більше 0,05мм.
Пластини, що мають викривлення, шліфують на плоскошліфувальних верстатах діамантовими шліфувальними кругами або піддають електрохімічній обробці. Закриті пази виготовляють з урахуванням забезпечення щільної посадки пластинок. Зазор між площинами паза і пластинки допускається в межах 0,05-0,15мм.
Перед паянням інструмент із закритими пазами та напівзакритими пазами збирають. Пластини кріплять по можливості підкарбовуванням. Для кріплення пластин підкарбовуванням у багатолезового інструмента (фрез, зенкерів, розгорток) залишають по передній поверхні технологічну стінку завтовшки 0,3–0,6мм, яку видаляють після паяння заточуванням.
У деяких випадках пластини можна кріпити штифтами (4) (гвинтові пластини) або обмотувати м'яким дротом, а також азбестовим шнуром (рисунок 1.4). Способи паяння вибирають залежно від способу нагріву інструмента. Розрізняють паяння індукційне (на установках ТВЧ), пічне у печах з мазутовим або газовим нагрівом або в електричних печах з газовою відновною атмосферою, контактну (на машинах для електростикового зварювання), полум’яну (ацетиленокисневим паяльником), зануренням в розплавлений припій і зануренням в розплавлені солі. Паяння твердосплавних пластин при індукційному нагріві є однією з найпродуктивніших операцій, які легко піддаються автоматизації.
Рисунок 1.4 – Форми пазів під пластини та засоби фіксування пластин перед припаюванням
Для створення нерознімних з'єднань твердосплавних пластин з державками застосовують дифузійне зварювання у вакуумі.
Клейові з’єднання різальних інструментів
Клейові з'єднання забезпечують підвищені експлуатаційні властивості інструмента завдяки збереженню початкових фізико-механічних властивостей матеріалів, які склеюються при низьких температурах. Особливо ефективне застосування методу склеювання для кріплення важкоспалюваних і
незварюваних інструментальних матеріалів, наприклад, безвольфрамових твердих сплавів, керамічних і синтетичних надтвердих матеріалів. Склеювання ефективно застосовувати для інструментів, що працюють при низьких температурах (протяжок, розгорток та ін.).
Марку клею призначають залежно від умов роботи. Як клей застосовують, наприклад, епоксидно-фенолові смоли, епоксикремнійорганічний клей, а також клеї ТКЛ-75, ТКС-75 та інші, що мають теплостійкість 250 °С, клеї Т-73, Т-30, що мають теплостійкість 300 °С і вище, або клеї ВК9, ВК28 та інші, холодного твердіння. Найефективніший однокомпонентний клей «Інструментол». Термопластичні клеї для склеювання інструмента непридатні.
При конструюванні клейових з'єднань необхідно враховувати таке: а) повинне бути забезпечене розвантаження клейового шва за рахунок різних конструктивних елементів, що беруть навантаження від сили різання;
б) за рахунок певного розташування клейового шва до напряму рівнодіючої сил різання забезпечити розвантаження шва від сил стиснення або стиснення із зрушенням; г) повинен бути забезпечений мінімальний нагрів клейового шва за рахунок найбільш сприятливого розміщення з’єднувального шва стосовного різальної кромки як до місця розташування джерела тепла.
Ефективним способом розвантаження клейового з'єднання від сил різання є застосування напівзакритих пазів, врізаних з'єднань, клєємеханічних. з'єднань, різальних елементів спеціальної форми. Інструменти з клейовими з'єднаннями (рисунок 1.5) можна виготовляти практично всіх видів із твердосплавними і швидкорізальними різальними елементами. Товщина клейового шва в усіх типах клейових з'єднань повинна бути у межах 0,05-0,15мм. Шорсткість поверхні склеюваних поверхонь після механічної обробки Rz- 40-20мкм. Перед склеюванням поверхні повинні бути очищені і знежирені.
Оптимальний спосіб підготовки поверхні інструментальних матеріалів перед склеюванням в умовах багатосерійного виробництва - дробоструминна обробка і знежирення їх водними миючими розчинами в ультразвукових ваннах. Нагрівання перед склеюванням можна проводити в електропечах або на установках ТВЧ.
У процесі шліфування і експлуатації клеяних інструментів не допускається нагрів клейового шва вище за критичну температуру для даної марки клею.
Засоби кріплення кристалів із надтвердих матеріалів
Для діамантових різців застосовують такі методи кріплення кристала в державці:
а) паяння діаманта у відкритому пазу;
б) пресування алмазів у металокерамічні вставки і кріплення останніх за допомогою механічних притисків у державці;
в) зачеканення діамантів в закритому пазу державки
Рисунок 1.5 – Приклади інструментів з клейовими з’єднаннями
твердим припоєм.
Паяння (після зачеканення) проводять срібним припоєм ПСр50кд при температурі плавлення 650-700 °С на установках ТВЧ або у вакуумних печах.
Найбільше застосування для кріплення кристала з ельбору -Р в інструменті отримали паяння і метод порошкової металургії. При паянні заготовку з ельбору-Р кріплять безпосередньо в тілі інструмента. Методом порошкової металургії виготовляють вставки з різальним елементом з ельбору-Р, які встановлюють у державку.
Перевагами паяння є проста конструкція і невеликі габаритні розміри інструмента, високі міцність і надійність кріплення кристалів, можливість використання кристалів порівняно невеликих розмірів (0,3-0,6 карата). Недоліками методу кріплення паянням є небажаний нагрів кристала, необхідність підгонки поверхонь кристалла і державки. Частково ці недоліки усуваються при металізації кристалів. Металізація здійснюється головним чином електролітичним способом. Для покриття використовують метали з добрими адгезійними і капілярними властивостями стосовно діаманта (мідь, нікель, срібло, титан та їх сплави).
Окрім електролітичного, відомі ще деякі способи металізації алмазів: вакуумне напилення металевих частинок на поверхню алмаза, нанесення металевої плівки за допомогою тліючого розряду й ін.
Методом порошкової металургії виготовляють вставки з різальним елементом з ельбору-Р, які потім вставляються в державку. Заготовку з ельбору-Р пресують разом із шихтою на основі залізного порошку. Отриманий агрегат спікають у водневій печі, потім виконують механічну обробку металевої частини, у результаті якої формується корпус вставки.
Відлитий інструмент
Застосування заготовок, отриманих литвом, є важливим чинником в економії інструментальних матеріалів. При виготовленні інструмента з прокату або поковок маса заготовок в 1,5-2 рази перевищує масу готового інструмента і в середньому 50 % металу йде в стружку. Наприклад, черв'ячна фреза при масі готового інструмента 2,5кг має масу заготовки
у вигляді поковки 10,5кг і маса заготовки у вигляді відливання 4,1кг; довбач масою 0,66кг має масу поковки 2,34кг, а маса відливки тільки1,86кг.
Трудомісткість виготовлення різального інструмента з литих заготовок значно нижче трудомісткості виготовлення інструмента з поковок або прокату. За даними Сестрорецького інструментального заводу ім. Воскова, собівартість свердла діаметром 55мм із сталі Р6М5, що виготовляється за технологією малосерійного виробництва, становить 22,49 р., зокрема, матеріал 17,31 р.; за технологією багатосерійного виробництва при обробці на фрезерних автоматах собівартість свердла того ж діаметра 19,66 р., зокрема, матеріал 16,86 р., при гарячому вальцюванні - 11,33 р., зокрема, матеріал 7,44 р. і при литві в оболонкову форму - 9,22 р., зокрема, матеріал 4,57 р.
Червоностійкість і зносостійкість інструмента, виготовленого з литої заготовки, дорівнює або навіть вище, ніж зносостійкість інструмента, виготовленого з кованої сталі; в'язкість литої швидкорізальної сталі нижча за в'язкість кованої. Рекомендується з литої швидкорізальної сталі виготовляти інструменти в тих випадках, коли основною вимогою, що висувається до інструментів, є зносостійкість (свердла, фрези). Недоцільно застосовувати литі заготовки для інструментів, що вимагають високої міцності і працюють з ударними навантаженнями. Для литих заготовок інструмента як матеріал використовують відходи швидкорізальної сталі, зношений інструмент і незначну кількість шихтового матеріалу (ферованадій, феромолібден та ін.).
Для зниження об'ємної усадки сталей, підвищення рідкоплинності і, як наслідок, усунення у відливаннях пористості і газових раковин, а також для отримання чіткішого відбитку ливарної форми рекомендується застосовувати сталь з підвищеним вмістом вуглецю.
В усіх ливарних сталях умовою для забезпечення хорошої розкисненості, а отже, і відсутності газових раковин є підвищений вміст у них основних розкиснювальних елементів марганцю і кремнію. За рахунок високої швидкості кристалізації зливка первинне зерно в литих заготовках дуже дрібне, але його можна зменшити шляхом модифікації сталі, наприклад сілікокальцієм.
Для отримання заготовок інструмента застосовують такі види лиття:
1. За моделями, що виплавляються, - для складного дрібного і насадного інструмента діаметром до 80мм.
2. Лиття в оболонкові форми, що виготовляються з піщано-смоляних сумішей. Найдоцільніше застосовувати цей вид литва для відливань кінцевого інструмента. Максимальна маса відливання 20кг. Для зменшення пригару при оболонковому литті рекомендується застосовувати спеціальну вогнетривку облицювальну фарбу (розчин пульвербакеліту в спирті у співвідношенні 1 : 5, доведений до щільності 1,5-1,6 г/см3 замісом прокаленого маршаліту). Керамічні форми рекомендується застосовувати при масі відливання вище 20кг.
Усі відлиті заготовки із швидкорізальної сталі піддають відпалу за стандартними режимами з тією лише різницею, що час витримки в період ізотермічного розпаду збільшується до 2 разів. При цьому у відлитих заготовках виходить більш рівномірна мікроструктура.
Термічна обробка інструментів, отриманих литвом, ідентична термічній обробці інструмента, виготовленого з прокату. Відмінність полягає в тому, що час нагріву під гарт повинен бути збільшений на 30-50 %. За деякими джерелами для підвищення якості великорозмірного інструмента рекомендується проводити двократний гарт. Перший гарт проводять до механічної обробки при нагріві до температури 1250-1260 °С з витримкою 25-30 с на 1мм перетину, що в 5-6 разів більше звичайної витримки при гарті фасонного інструмента. Висока температура і тривала витримка сприяють істотній зміні розміщення карбідів. Після гарту проводять ізотермічний відпал за режимом, встановленим для швидкорізальної сталі, а потім механічну обробку і остаточні гарт і відпуск. Витримка при остаточному нагріві 8-10 с на
1 ммзамість 6 с для інструмента, отриманого куванням. Подвійна термічна обробка зазнає значного руйнування скелетоподібної сітки карбідів, вони розподіляються при цьому більш рівномірно. Ефективність застосування відлитих заготовок залежить від рівня ливарної технології і організації виробництва.
