/
Tags: отдельные машиностроительные и металлообрабатывающие процессы и производства
ISBN: 5-217-01022-3
Text
Составной
режущий
инструмент
Машиностроение
Составной
режущий
инструмент
Под общей редакцией К. П. Имшенника
МОСКВА
МАШИНОСТРОЕНИЕ
1995
ББК 34.63-5
С66
УЛК 621.9.02-112.5
Редакционная коллегия: Б. М. Пивоваренок (председатель),
В. А. Гречишников, С. И. Лашнев, А. М. Лейн, М. М. Палей,
Д. И. Поляков, В. Ф. Романов, Г. Н. Сахаров, Д. И. Семенченко,
Н. В. Талантов, А. Л. Локтев, В. С. Самойлов
Рецензент Б. С. Цейтлин
Издание выпущено в счет дотации, выделенной Комитетом РФ по печати
С 66 Составной режущий инструмент/ К. П. Имшенник,
Ю. В. Коротков, И. Н. Иванов, Н. И. Фомичев; Под общ. ред.
К. П. Имшенника. - М.: Машиностроение, 1995- 208 с.: ил. -
(Б-ка инструментальщика).
ISBN 5-217-01022-3
Рассмотрены основные виды составного режущего инструмента: сварнс
го, паяного и клееного. Описаны способы получения составного инстру-
мента, конструкции неразъемных соединений, свойства и области приме-
нения припоев, клеев, флюсов. Обобщен опыт изготовления и эксплуата-
ции составных режущих инструментов на машиностроительных предприя-
тиях.
Для технологов и инженерно-технических работников инструменталь-
ного производства.
С 2705030000-049 Без
038(01)- 95
ББК 34.63-5
ISBN 5-217-01022-3
© К. П. Имшенник, Ю. В. Ко-
ротков, И. Н. Иванов,
Н. И. Фомичев, 1995
ПРЕДИСЛОВИЕ
Создание высокопроизводительного, прогрессивного и эконо-
мичного режущего инструмента является основной задачей
инструментального производства. Проблема повышения произво-
дительности режущего инструмента решается главным образом за
счет разработки новых и совершенствования традиционных ин-
струментальных материалов (быстрорежущих сталей и твердых
сплавов), которые благодаря улучшению характеристик (твер-
дости, износостойкости и др.) позволяют повысить режимы реза-
ния. Рациональное использование инструментальных материалов,
особенно вольфрамсодержащих быстрорежущих сталей и твердых
сплавов, обеспечивает сборный и составной инструмент. Совре-
менное металлорежущее оборудрвание, особенно автоматизиро-
ванное, имеет высокую стоимость, и полноценное его использова-
ние зависит от режущего инструмента, в связи с чем повышены
требования к его надежности. Вопросы надежности составного
инструмента решаются комплексно как за счет конструкции
инструмента, оптимизации геометрических параметров, так и за
счет технологии изготовления, контроля качества, направленных
на обеспечение требуемой прочности соединения и работоспособ-
ности инструмента в целом.
Проблема создания составного инструмента стала особенно
актуальной в связи с дефицитом инструментальных материалов,
содержащих такие легирующие элементы, как вольфрам, кобальт,
молибден, ванадий и др.
К настоящему времени разработаны разнообразные тенологи-
ческие варианты получения неразъемных соединений. Некоторые
из них имеют преимущества перед, давно применяемыми. Напри-
мер, пайка пластин из быстрорежущей стали, совмещенная с
аустенитизацией, технологически проста и уменьшает потреб-
ность в инструментальном материале. Усовершенствована техно-
логия пайки твердых сплавов, практически освобождающая
соединение и пластину из твердого сплава от напряжений. Перспе-
ктивны конструкции и технология изготовления клееного инстру-
мента. К составным инструментам относится также биметалли-
ческий инструмент, режущая часть которого из быстрорежущей
стали формируется на корпусе инструмента металлургическим
способом или наплавкой. Однако данная технология не нашла
широкого применения в отечественной инструментальной промы-
шленности, и биметаллический инструмент не рассматривается в
этой книге.
В книге даны сведения о современных конструкциях, техноло-
гии изготовления и принципах создания составного режущего
инструмента, показывается область его предпочтительного приме-
нения и основные преимущества как при изготовлении, так и при
эксплуатации. Лается характеристика основных инструменталь-
ных материалов. Описаны их технологические и физико-механи-
ческие свойства, определяющие возможность их применения в
составных инструментах. Излагаются прогрессивные способы
получения заготовок режущих элементов из быстрорежущей стали
методом порошковой металлургии, горячего гидродинамического
выдавливания, прессования и др. Даны общие сведения по терми-
ческой обработке составного режущего инструмента.
Глава I написана К. П. Имшенником, Ю. В. Коротковым,
И. Н. Ивановым, гл. II - Н. И. Фомичевым, гл. III - И. Н. Ивановым,,
гл. IV - Ю. В. Коротковым.
ГЛАВА 1. СОСТАВНОЙ ИНСТРУМЕНТ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
1.1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СОСТАВНОГО ИНСТРУМЕНТА
И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Эксплуатационные свойства режущего инструмента в первую
очередь определяются физико-механическими свойствами ин-
струментальных материалов, конструкцией и технологией изготов-
ления инструмента.
В настоящее время сварной, паяный и клееный инструменты
представляют основные группы составного инструмента (рис. 1.1).
Основными факторами, влияющими на область применения
метода крепления режущих элементов инструмента (табл. 1.1),
являются:
химический и структурно-фазовый состав, а также- физико-ме-
Рис. 1.1. Классификация методов крепления режущих элементов инст-
румента
ханические свойства инструментального материала, определя-
ющие его технологическую совместимость при получении неразъ-
емного соединения с материалом корпуса инструмента;
форма и размеры режущих элементов;
условия эксплуатации инструмента;
технологические условия получения соединения, свойствен-
ные методу и обусловливающие потребность в специальном обору-
довании, оснастке и технологических материалах (припои, флюсы,
клеи и др.);
характер производства инструмента, определяющий требова-
ния к производительности процессов изготовления инструментов
и степени их механизации и автоматизации.
Наиболее широко распространены три метода крепления
режущих элементов в составных инструментах: сварка, пайка и
склеивание.
Сварка применяется в основном для соединения рабочих
частей инструментов из быстрорежущей стали. Пайка использует-
ся преимущественно для крепления элементов из твердых спла-
вов, быстрорежущих сталей, сверхтвердых материалов (СТМ).
1.1. Применение методов крепления режущих алементов
из различных инструментальных материалов
Группа инструменталь- ного материала Методы крепления Цельный инструмент
механи- ческое сварка пайка склеивание
Углеродистые инст- рументальные стали ** ** *** *** *****
Легированные инст- рументальные стали ** **** *** *** *****
Быстрорежущие ин- струментальные ста- ли **** ***** **** *** *****
Спеченные твердые сплавы ***** * ***** *** **
Керамические режу- щие материалы ***** * *** ***
Синтетические сверхтвердые мате- риалы **** * *** ** -
Абразивные мате- риалы ** — * **** *****
Примечание: ***** —основной метод для данного материала; **** — метод
применяется широко; ♦** — метод применяется ограниченно; *» — метод возможен,
но применение нецелесообразно; * — метод возможен, но требует выполнения осо-
бых технологических условий.
Рис. U. Область распростране-
ния основных методов крепле-
ния в зависимости от объема
режущего элемента V и площа-
ди соединения F:
1 — сварка стыковая; 2 — сварка
трением; 3 — пайка стержней;
4 — склеивание; 5 — механиче-
ское крепление быстрорежущих
пластин; 6 — механическое кре-
пление твердосплавных плас-
тин; 7 - пайка пластин
Склеивание, несмотря
на возможность создания
соединения практически
для любого инструмен-
тального материала,
имеет ограниченное
применение вследствие
относительно низкой
прочности клеевого шва
по сравнению с паяным и
сварным. Представлен-
ная на рис. 1.2 диаграмма
показывает зоны распро-
10J -
10е -
10s -
10* -
IO3 -
ю! -
w' -
о
странения различных
методов крепления.
Допустимый объем
режущего элемента (мм3) может быть определен по
ской формуле
эмпириче-
V = cFm,
где с - безразмерный коэффициент, минимальное и максималь-
ное значение которого характеризует диапазон допустимых объ-
емов присоединяемых режущих элементов; F - площадь соедине-
ний, мм2; т - показатель степени, характеризующий интенсив-
ность возрастания объема режущего элемента при увеличении
площади соединения, т = 1,19...1,94.
Уравнения, описывающие область распространения методов
крепления, представлены в табл. 1.2. Наибольшую область распро-
странения имеет стыковая сварка оплавлением, далее следует
сварка трением, пайка пластин из твердого сплава, пайка пластин
из быстрорежущей стали, пайка режущей части из твердого сплава
и склеивание.
Классификация режущих элементов, их размеры и рекоменду-
емый метод крепления приведены в табл. 1.3. Все применяемые в
настоящее время режущие элементы разделяются на три группы в
зависимости от вида образующих их поверхностей:
1.2. Область распространения методов крепления
Метод крепления Материал режущих элементов (рабочих частей) F-Ю-3 мм2 V.mm3
Сварка сты- ковая оплав- лением Быстрорежущие стали 0,05 -5,5 V=12,8F(1>19-1'94)
Сварка тре- нием Быстрорежущие стали 0,08 -2,7 V= 12,8F1,19...24,2F1,47
Пайка Твердые сплавы, СТМ 0,0015-5,5 V= (0Д6...0.49) F1’46
Керамика, быстрорежущие стали 0,05-15 V= 0,29 FV’^..J},22 F1’46
Механическое Твердые сплавы, керами- 0,1-0,8 V= 0,20 F1,42...0,18 F1'50
крепление ка, СТМ, быстрорежущие стали 0,2 -4 v= 0,049 f1.56 ...o,o72F1-58
Склеивание Твердые сплавы, быстро- режущие стали, керамика, СТМ 0,05-30 V= 0,058 F1-48..^,! F1.32
призматические (прямоугольные), поверхности которых обра-
зованы плоскостями;
осевые, поверхности которых получены вращением образу-
ющей вокруг оси;
фасонные, поверхности которых имеют произвольную форму.
Формы режущих элементов имеют весьма широкий диапазон
размеров. Однако не все методы крепления позволяют использо-
вать режущие элементы полностью в этом диапазоне.
Сварка осуществляется встык по плоскости без применения
дополнительных конструктивных элементов. Минимальный
диаметр заготовок, соединяемых стыковой сваркой оплавлением,
равен 10 мм (из-за высокой плотности сварочного тока при сварке
заготовок меньшего диаметра, высоких припусков на сварку и
трудности получения заготовок с соосными рабочей и хвостовой
частью).
Для сварки трением заготовка рабочей части в зоне сварного
шва должна иметь форму стержня круглого сечения диаметром
более 6 мм. Для сварки заготовок меньшего диаметра требуется
большая частота вращения и высокое давление проковки. Суще-
ствуют машины зарубежных фирм для сварки трением стержней
из конструкционной стали диаметром 1-6 мм, но для сварки
стержней из быстрорежущей и конструкционной стали они не
применимы, так как нарушается соосность заготовок при большом
давлении проковки. Для пайки и склеивания режущие элементы
имеют преимущественно форму пластины для соединений в паз и
стержней для втулочных соединений. Технологические и кон-
структивные параметры при различных методах крепления даны в
табл. 1.4. Эти данные позволяют ориентироваться при выборе
способа и технологии получения соединения.
U. Классификация режущих элементов составного инструмента
Режущий инструмент Геометри- ческие соот- ношения Основные размеры, мм Применение Метод крепления Форма соединения
Призматические
Пластина b-7 / >СКЗк; h«b I =4...60 b = 3...22 h = 0,6...12 Резцы, сверла, зен- керы, фрезы, про- тяжки Пайка Механическое крепление Склеивание Сварка* Призматическое Призматическое, комбинированное То же Плоскостное
1 С
Полоса I > 3b; h«b Z=16...4OO k = 4...4O h = 1...5 Ножи, напильники, гребенки резьбона- резные, развертки Пайка Склеивание Механическое крепление Плоскостное Призматическое, комбинированное То же
Ъ -7 7 7\
с]
1
Вставка а й A °- T* ll A ci. cr 1 = 5... 240 h=b=d=2...8O Резцы, сверла, зенкеры, фрезы Сварка Пайка Склеивание Механическое креп- ление (ограничен- ное) Плоскостное Призматическое, ци- линдрическое, кони- ческое То же, комбиниро- ное То же
С ь
о
Продолжение табл. 1.3
Режущий инструмент Геометри- ческие соот- ношения Основные размеры, мм Применение Метод крепления Форм* соединения
Стержень d 1>ЗЬ; h*= b~d г = Ю...500 h = b = d =2,5...8О Сверла, резцы рас- точные, зенкеры, фрезы, метчики Сварка Пайка Склеивание Механическое крепление Плоскостное Призматическое, коническое, цилин- дрическое То же, комбиниро- ванное
•С
L
Осевые
Коронка - 1 . D>d; L>1; L^D t- ~ я. tn :S Г Г A о Lh k> (Л О о О Фрезы, развертки, зенкеры Пайка Склеивание Механическое крепление Цилиндрическое, коническое То же, комбиниро- ванное резьбовое То же
1 -Г
Втулка 1, L-L L = 1>D; D>d I = 8...2O D = 10...2S d = 4...12 To же Пайка Механическое крепление Склеивание Цилиндрическое, ко ническое То же, комбиниро- ванное Резьбовое
J) )•<
Кольцо -1 ,-1 l«D; D>d D = 5...2OO d=3...15O Z=4...1OO Долбяки, шеверы, протяжки, резцы, фрезы Пайка Механическое крепление Склеивание Цилиндрическое, ко- ническое То же, комбиниро- ванное То же
/к\
ъ ((0)) ’
Фасонные
Клиь X \бг [Г б H>h; В>Ъ; 8 = 3...5’; 8 = 0,5...1* » о- to 7 tc И И И " Il s" К о P P Ъ»: ; L L ° о O о У O Q о о Фрезы, развертки, зенкеры Пайка Механическое крепление Склеивание Клиновое (призма- тическое) Комбинированное Призматическое
Сегмент D w7h>>1^BW D = 350...2000 d=21O„.187O 9 = 25...90 h = 5...14 Пилы, протяжки, фрезы Механическое крепление Комбинированное Плоскостное
b>h Склеивание Пайка
ZxZnA
Винтообразный стержень д . b<K3b; h<b I = ll..,33 h = 2...5 b-4. 10 Фрезы Пайка Склеивание Призматическое Винтовве
с в H=10„.27
Применяется ограниченно.
1.4. Технологические параметры процессов и конструктивные параметры соединений
при различных методах крепления режущих элементов в инструментах
Метод креп- ления (вид техно- логического про- цесса) Темпера- тура обра- зования соединения, •с Давление, МПа Время об- разования соединения^ мин Длитель- ность процес- са (с тер- мической обработ- кой), ч Энерго- емкость процес- са, кВА Удельная МОЩНОСТЬ (на 1 см2 соединя- емой по- верхности), кВА/см2 Сопутствующие операции
предварительные последующие
Стыковая сварка оплавлением 1300-1400 30-60 0,2-1,0 10-12 25-150 (6-10*) 3-10 Точение, гал- товка или дро- беструйная об- работка, протя- гивание торцов Отжиг, снятие грата, правка загото- вок
Стыковая сварка трением 1150-1300 80-650 0,2-0,5 10-12 5-20 1,5-6,3 То же То же
Пайка элекро- сопротивлением 600-1000 0,5-50 0,02-0,05 0,03-0,05 0,6-10 3-20 >э
Пайка погруже- нием в расплав* ленную соль 1150-1300 1-10*** 2,0-3,0 25-150 0,3-10 Механическая обработка ре- занием Отпуск
Пайка погруже- нием в расплав- ленный припой 900-1000 — 0,003-0,05**’ 0,002-0,01 25-60 0,25-0,6 То же Зачистка, дро- беструйная об- работка
Индукционная пайка 600-1150 0-0,2 0,3-0,75 0,1-0,15 3-100 0,6-100 Галтовка, дро- беструйная об- работка, возк можно обезжи- ривание Отпуск, удале- ние остатков флюса и при- поя дробеструй- ной и абразив- ной обработкой
Пайка в печах с защитной газо- вой средой или вакуумом 880-1150 0-0,2 0,1-0,2 0,03-3,0 20-100 0,01-0,07 То же То же
Склеивание без 20-30 0-0,2 24-48 24-48
нагрева Склеивание с на 100-250 0-1 1,5-4 3-6
гревом в печах электросопро- тивления Склеивание с ' 400-600 0-1 0,03-0,25 х 0,05-0,5
нагревом ТВЧ
‘Плотность сварочного тока в А/мм2.
“Режимы указаны ориентировочно.
***При групповой пайке время уменьшается в десятки раз.
2-4 0,001-0,004
5-10 0,2-0,5
1.2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Свойства инструментальных материалов. Инструментальные
материалы характеризуются высокими показателями твердости и
износостойкости, сохраняемыми при нагреве; хрупкостью, малой
адгезионной способностью по отношению к обрабатываемым
резанием материалам. Они отличаются по химическому составу и
физико-механическим свойствам от конструкционных сталей, из
которых изготовляют корпус инструмента. По физической природе
их делят на три группы: неметаллические материалы, металло-
подобные и металлические.
Неметаллические инструментальные материалы (синтетиче-
ские сверхтвердые материалы, керамика) по сравнению с другими
инструментальными материалами имеют наибольшую твердость и
низкую прочность, высокую хрупкость, без создания специаль-
ных условий не смачиваются металлами.
Относящиеся к металлоподобным материалам спеченные твер-
дые сплавы имеют свойства, определяемые свойствами их основ-
ных компонентов (карбидов вольфрама, титана, тантала и раство-
ров на их основе). Твердые сплавы практически не пластичны, сма-
чиваемость твердых сплавов металлами ограниченная и определя-
ется содержанием в них металлической связки - кобальта,
никеля, молибдена. Наиболее распространены твердые сплавы с
кобальтовой связкой. Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС)
имеют никеле-молибденовую связку.
Спеченные твердые сплавы по содержанию основных компо-
нентов делят на вольфрамовые, титано-вольфрамовые, титано-тан-
тало-вольфрамовые и безвольфрамовые.
Несмотря на многообразие марок твердых сплавов, выпускае-
мых промышленностью, при обработке металлов резанием в основ-
ном используют сплавы марок ВК6, ВК8, Т5К10, Т15К6.
Состав и основные физико-механические свойства наиболее
распространенных твердых сплавов приведены в табл. 1.5. Состав и
свойства твердых сплавов определяют их высокие служебные
свойства при обработке металлов.
Коэффициент линейного расширения твердых сплавов в 2...3
раза меньше, чем коэффициент линейного расширения стали.
Поэтому паяные соединения твердых сплавов со сталями характе-
ризуются как несогласованные, и одной из причин, вызывающих
преждевременные поломки твердосплавного паяного инструмен-
та, являются остаточные напряжения, обусловленные различным
изменением линейных размеров твердого сплава и стали при
охлаждении после пайки. Наиболее опасны растягивающие оста-
точные напряжения после пайки и заточки.
Несмотря на различие химического состава, все твердые спла-
вы имеют определенные соотношения между пределом прочности
при сжатии рсж, при изгибе ои и временным сопротивлением ов:
1.5. Состав и свойства спеченных твердых сплавов
Марка Массовая доля компонента в смеси порошка, % ои ° еж «в HRA, не менее Модуль упру- гости Е, ГПа Коэффициент линейно- го расширения ot-10°, ‘С-1
WC TiC Со М Па, не мен ее
ВКЗ 97 3 1176 Б 4250 вольфрам 580 овые 89,5 4,5
ВКЗМ 97 — 3 1176 — 91 — —
ВК4 96 — 4 1519 4400 -• 89,5 650 4,7
ВК6 94 — 6 1519 4450 720 88,5 640 4,9
ВК6М 94 — 6 1420 — 90 —
ВК8 92 8 1666 4200 780 87,5 610 5,1
ВК10 90 10 1764 4100 — 87 585 5,3
ВК15 85 — 15 1800 3600 1300 86 532 6,3
Титан о-в о льфрамовые
Т5К10 85 6 9 1400 3100 88,5 560 5,5
Т15К6 79 15 6 1150 300 90 530 5,6
Т14К8 78 14 8 1250 3000 — 89,5 530 6,0
Т30К4 66 30 4 980 3500 - 92 430 6,6
Титано-тантало-вольфрамовые
ТТ17К12 81 4 12 1650 -. 87 — 5,6
ТТ8К6 84 8 в 1323 — — 90,5 — —
Примечание. ТТ7К12 содержит ТаС 3 %, ТТ8К6 —2 %.
1.6. Безаольфрамоаые твердые сплавы
Марка Состав, % 0и, МПа HRA Коэффициент линейного рас- ширения а-106/c-i
(Ti + Nb)C TiCN TiC Ni Mo
ТН-20 •а 79 15 6 3050 90 8,5-9
ТН-50 м. •в 53 34 13 1400 86,5 —
КНТ-16 — 74 - 19,5 6,5 1200 89 8,5-9,0
осж*(2...3) ои*(3...6)Ов.
Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) ТИ-20, ТН-50, КНТ-16
(табл. 1.6) имеют высокую окалиностойкость (в 10-15 раз выше,
чем у сплавов ТК15К6 и Т5К10), а образующаяся на поверхности
режущих пластин тонкая окисная пленка выполняет в процессе
эксплуатации инструмента при высоких температурах роль
твердого смазочного материала. Благодаря этому сплавы хорошо
сопротивляются износу. БВТС имеют также пониженную склон-
ность к адгезионному взаимодействию с обрабатываемым мате-
риалом, что снижает износ иструмента по передней поверхности,
обеспечивая низкую шероховатость обработанной поверхности.
Наряду с положительными свойствами эти сплавы имеют недо-
статки, особенно проявляющиеся при изготовлении составного
инструмента: пониженную прочность при высоких температурах,
значительную склонность к трещинообразованию при пайке и
заточке иснтрумента вследствие пониженной их теплопровод-
ности.
Конструкционные и инструментальные стали для крепежной
части сварного инструмента и корпусов паяного инструмента по
химическому составу относятся к группе углеродистых и низколе-
гированных; по содержанию углерода конструкционные стали -
доэвтектоидные, инструментальные стали - эвтектоидные и
заэвктектоидные. Конструкционные стали в инструментах свар-
ной конструкции используются в отожженном состоянии или
после нормализации, структура феррит+перлит, в инструментах
паяной конструкции могут быть термически обработанными.
Быстрорежущие стали по структуре относятся к сталям ледебу-
ритного класса, по фазовому составу - к карбидным. Стали класси-
фицируют по содержанию основных легирующих элементов (ГОСТ
19265-73) на группы: вольфрамовые, вольфрамо-молибденовые,
вольфрамовые с повышенным содержанием ванадия, вольфра-
мо-кобальтовые с повышенным содержанием ванадия, вольфра-
мо-кобальтовые, вольфрамо-молибдено-кобальтовые. Наибольшее
применение имеют вольфрамо-молибденовые и вольфрамо-молиб-
дено-кобальтовые быстрорежущие стали.
Быстрорежущие стали являются высоко- и сложнолегирован-
ными. Суммарное содержание легирующих элементов в них (воль-
фрама, молибдена, ванадия, хрома, кобальта) доходит до 50 %,
содержание углерода 0,7-1,2 %.
Стали марок Р6М5, Р9, Р12, Р18 служат для изготовления
режущих инструментов, предназначенных для обработки обычных
конструкционных материалов, а стали марок Р6М5К5, Р6М5ФЗ,
Р9К10, Р9М4К8, Р12Ф2К8МЗ - для изготовления инструментов,
предназначенных для обработки труднообрабатываемых конструк-
ционных материалов. Благодаря лучшим режущим свойствам,
обусловленным повышенной твердостью и износостойкостью,
быстрорежущие стали Р12Ф2К8МЗ, Р9М4К8 и другие находят все
большее применение при обработке жаропрочных и титановы^
сплавов, высокопрочных конструкционных сталей, а инструменты!
оснащенные пластинками из этих сталей, имеют значительно бо]
лее высокую стойкость, чем инструменты с пластинками из сталц
Р18.
В последнее время для изготовления режущего инструмента
применяют порошковые быстрорежущие стали Р6М5К5-МП,
Р12Ф2К8МЗ-МП, Р6М5ФЗ-МП, полученные методом порошковой
металлургии.
Для технологических расчетов и предварительной оценки
эксплуатационных свойств инструмента, изготовленного из раз-
личных марок сталей, предназначены таблицы ГСССД 27-81, где
приведены физические свойства сталей в состоянии поставки и
после различных стадий термической обработки.
Технологические свойства быстрорежущих сталей можно оце^
нивать по таблицам ГСССД 41-82, например, пластичность, свари-’
ваемость, обрабатываемость резанием, шлифуемость быстрорежу-<
щих сталей, которые являются определяющими для изготовления
составного инструмента.
В отличие от неметаллических и металлоподобных материа-
лов, быстрорежущие стали приобретают необходимые эксплуата-
ционные свойства только после достаточно сложной термической
обработки - закалки с нагревом до температуры не менее 1200 °C и
высокого отпуска (560 °C). При закалке быстрорежущей стали с1
температуры аустенитизации критическая скорость охлаждения
1,5-3 °С/с. Следовательно, сталь, нагретая выше 900 °C, даже при
охлаждении на воздухе получает закалку. В зависимости от усло-
вий нагрева и охлаждения в процессе сварки быстрорежущей’
стали в зоне термического влияния получаются различные струк-'
туры - от соответствующих закаленному состоянию до соответст-
вующих отожженному состоянию. Неодновременное превращение
аустенита в мартенсит в зоне термического влияния со стороны
быстрорежущей стали при охлаждении после сварки давлением
приводит к появлению остаточных напряжений. Химическая и
структурно-фазовая неоднородность соединения быстрорежущая
сталь — конструкционная сталь усиливается после отжига вслед-
ствие диффузионных процессов в сварном соединении.
Как получение неразъемных соединений инструментальных
материалов со сталью, так и эксплуатация режущих инструментов
сопровождается нагревом и охлаждением. Поэтому теплофизиче-
ские свойства являются необходимой характеристикой этих
материалов при рассмотрении процессов получения соединений и
установлении эксплуатационных характеристик инструмента
(табл. 1.7).
Поскольку при пайке и сварке применяют преимущественно
нагрев электрическим током, представляют интерес данные об
электропроводности инструментальных материалов. Для характе-
ристики степени согласованности соединения необходимо учиты-
18
1.7. Фили* «-механические свойств* основных инструментальных материалов
Параметр Сталь 45 отожженная ЦМ332 Т15К6 Р18 Кубический нитрид бо- ра—эль- бор Р ВК8 Синтетиче- ский алмаз
закалка + отпуск ОТЖИГ
Коэффициент теплового насыщения, Вт/(см2*с1/2) 1,34 0,79 0,88 0,84 1,0 0,98 1,34 1,58
Температуропроводность, см2/с 0,13 0,06 0,095 0,05 0,075 0,18 0,32 0,83
Теплопроводность, Вт/(см-’С) 0,44 0,19 0,27 0,19 0,28 0,42 0,75 1,46
Удельная теплоемкость, Вт-с/(ч-’С) 0,47 0,84 0,25 0,44 0,42 0,67 0,17 0,5
Коэффициент линейного расширения «406, *С—1 13-6 7,9-8,2 6,2* 9 12 2,5-4,7 3,6-3,7 0,9-1,45
Плотность, г/см3 7,85 3,85-3,9 11,1-11,6 8,73 8,7 3,45-3,47 14,4-14,8 3,48-3,54
Удельное электрическое сопротивление, мкОм/см 15,1 — 44* — 38 — 20,7
HV, ГПа Предел прочности, МПа: 0,17-0,23 2-2,3 1,6-1,7 0,8-0,87 0,2-0,35 8-10 1,4-1,5 8,6-10
при растяжении 600 180-230 660 1900-2400 800-900 180 920 —
при изгибе 300-350 1100 3000-3400 920-960 320 1600 300
Модуль упругости, ГПа 20,4 400 520 220 320 720 590 720-930
* Для твердого сплава марки Т14К8.
"Определение расчетом из соотношения ов = 0,575 0и; для стали Р18 — фактические данные.
вать коэффициенты теплового расширения материалов. Теплофи-
зические свойства быстрорежущих сталей следует рассматривать
как в отожженном состоянии, так и после закалки и отпуска,
Теплопроводность отожженной быстрорежущей стали при 20 °C
примерно в 2 раза меньше теплопроводности конструкционной
стали, а в закаленном состоянии - в 3 раза меньше. На теплопро-
водность быстрорежущей стали влияет ее химический состав:
молибден и кобальт повышают теплопроводность, вольфрам и
ванадий - снижают. Теплопроводность быстрорежущей стали
определяет зону термического влияния при сварке и влияет на
усилие осадки (проковки).
Свойства твердых сплавов рассматриваются в состоянии по-
ставки. Теплопроводность твердого сплава вольфрамовой группы
в 4 раза выше теплопроводности быстрорежущей стали после
закалки и отпуска и в 1,5 раза выше теплопроводности конструк-
ционной стали. Теплопроводность твердых сплавов титано-вольф-
рамовой группы в 1,5 раза выше теплопроводности быстрорежущей
стали после закалки и отпуска и в 2 раза меньше теплопроводно-
сти инструментальной стали. С повышением содержания кобальта
теплопроводность твердого сплава несколько возрастает. Тепло-,
проводность влияет на скорость нагрева до температуры пайки
твердого сплава при индукционном нагреве (чем выше
теплопроводность, тем больше допустимая скорость нагрева) и оп-
ределяет температуру соединения при эксплуатации инструмен-
та. Теплоемкость влияет на коэффициент теплового насыщения,
(произведение в степени 1/2 теплоемкости на теплопроводность)
материала: чем меньше теплоемкость, тем быстрее, при прочих
равных условиях, происходит нагрев металла.
Технологическая совместимость инструментальных материа-
лов со сталью. Неразъемное соединение инструментальных
материалов с конструкционной сталью характеризуется химиче-
ской, структурно-фазовой, механической неоднородностью. Быст-
1.8. Технологическая совместимость инструментальных материалов с конструкционной или инструментальной сталью
Инструментальный материал Характеристика сочетания Категория технологической совместимо- сти Способ соединения
сварка давле- нием пайка склей- ri вание
Быстрорежущая сталь Однородное Удовлетворитель- ная о О Д
Твердый сплав Разнородное Слабая X о Д
Неметаллический материал Инородное Ограниченная — о О
Примечание, о — основной; д — дополнительный; х — ограниченного приме-i
нения;---не применяется.
рорежущие стали образуют со сталью однородные соединения.
Металлоподобные твердые сплавы при соединении со сталью обра-
зуют разнородные соединения, а неметаллические материалы -
инородные соединения.
Неметаллические инструментальные материалы имеют огра-
ниченную технологическую совместимость (табл. 1.8) со сталью,
спеченные твердые сплавы - слабую, из-за резкого различия
коэффициентов линейного расширения. Адгезионную связь со
сталью образует только металлическая связка этого материала.
Рабочую часть и элементы из быстрорежущей стали соединяют
с корпусом инструмента сваркой давлением или пайкой, из твер-
дых сплавов - преимущественно пайкой. Неметаллические инст-
рументальные материалы паяют по специальной техноло-
гии, например металлизации поверхностей, обеспечивающей
смачиваемость их припоями, или в вакууме. Последние годы тео-
ретически и экспериментально обоснован способ получения клее-
вых соединений изделий из инструментальных материалов всех
трех групп.
1.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК КОНСТРУКТИВНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ
Элементы из быстрорежущей стали изготовляют преимущест-
венно методами пластического деформирования, а также спека-
ния порошков.
Элементы из твердых сплавов и керамики изготовляют мето-
пами порошковой металлургии — прессованием с последующим
спеканием при высокой температуре. Элементы из СТМ изгото-
вляют либо синтезом исходных материалов при высокой темпера-
туре (синтетические алмазы), либо спеканием из порошков
(поликристаллы нитрида бора).
Методы пластического деформирования для получения заго-
товок из быстрорежущей стали целесообразно применять в усло-
виях крупносерийного и массового производства. Прессование
малогабаритных элементов из быстрорежущей стали производится
в специальных штампах с подогревом заготовок до 1000-1200 °C.
Во избежание быстрого остывания заготовок штампы снабжены
подогревающим устройством, обеспечивающим постоянный на-
грев до 400 °C.
Для производства сверл применяют продольно-винтовое прока-
тывание с нагревом заготовок до температуры ковки. Процесс
производится за один рабочий ход заготовки между профильными
сегментами. Процесс очень производительный и экономичный.
Для относительно крупных заготовок рабочих элементов
Дискового инструмента применяется изотермическая штамповка.
Как правило, эти элементы имеют соотношение диаметра к высоте
°Т 6 до 50 и допускают степень деформации до 75 %.
Особенностью штамповки быстрорежущих сталей является
постепенный нагрев до температуры 750-850 °C, поскольку эти
стали имеют низкую теплопроводность.. Это чрезвычайно важно
для крупногабаритных инструментов. Однако передержка в печи
на стадии предварительного нагрева выше 900 °C может сущест-
венно повлиять на увеличение обезуглероженного слоя и приве-
сти к сильному окислению поверхности (образованию окалины).
Разработан процесс горячего гидродинамического выдав-
ливания (ГГДВ) осевых заготовок из быстрорежущих сталей, отли-
чительной особенностью которого является наличие в штампе
промежуточной среды в виде графитовой вставки. Это обеспечи-
вает получение заготовок с высокой степенью деформации - до
75 % при сведении к минимуму коэффициента трения. Заготовки
рабочих частей разверток, метчиков, зенкеров, концевых фрез,
сверл, полученные методом ГГДВ, имеют низкую шероховатость
(Ра=2,5...1 мкм) и высокую точность размеров деталей в пределах
0,2-0,3 мкм.
Для изготовления деталей метчиков во ВНИИинструмент
разработана оригинальная технология редуцирования (проталки-
вания и обжатия) быстрорежущих заготовок через фильеру. Про-
цесс обеспечивает получение высокоточных заготовок и высокую
производительность, так как выполняется на холодно-высадоч-
ных автоматах. Степень деформации при этом не должна превы-
шать 30 %.
Разработана также прогрессивная технология получения плас-
тин из быстрорежущей стали методом порошковой металлургии:
прессование с последующим спеканием. Заготовки имеют точные
размеры, и не требуется дополнительной обработки.
На ряде предприятий машиностроения налажено изготовле-
ние державок резцов и других режущих инструментов из конструк-
ционной стали методом точного литья с выполнением паза (гне-
зда) под закрепляемую режущую пластину.
Среди процессов получения заготовок из твердых сплавов
следует отметить способ изготовления монолитных заготовок из
пластифицированного сплава путем прессования в пресс-формах с
последующим спеканием. Преимуществом такого способа являет-
ся возможность получения необходимой формы заготовки путем
предварительной механической обработки (фрезерованием, точе-
нием и т. п.) до спекания, в то время как по традиционной техно-
логии изготовления твердосплавных изделий после спекания для
придания нужной формы требуется шлифование алмазными или
эльборовыми кругами.
Заготовки из сверхтвердых материалов имеют относительно
небольшие размеры: диаметр 5-6 мм для поликристаллов синте-
тических алмазов и до 7 мм для поликристаллов кубического
нитрида бора, что и предопределил наиболее предпочтительный
способ крепления таких элементов - пайкой.
1.4. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
СОСТАВНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ЕГО ЗАГОТОВОК
Заготовки после сварки и сварной инструмент после термиче-
ской обработки могут иметь трещины в околошовной зоне со сто-
роны быстрорежущей стали. Трещины появляются в результате
действия остаточных напряжений. При стыковой сварке оплав-
лением быстрорежущей стали с конструкционной эти напряжения
связаны с изменениями объема стали, вызванными структурными
превращениями.
При охлаждении сваренных заготовок неравномерное относи-
тельно продольной оси температурное поле некоторое время
сохраняется, что вызывает неодновременность превращения аусте-
нита в мартенсит в участках заготовки из быстрорежущей стали,
находящихся на различных расстояниях от стыка и нагретых до
различных температур. Превращение аустенита в мартенсит
связано с увеличением объема. Наибольшее увеличение объема
происходит на участке, нагретом до 1100 °C. Поэтому трещинооб-
разование наблюдается на расстоянии 1-4 мм от сварного шва в
зависимости от диаметра заготовок. Чем больше диаметр заготов-
ки, тем больше вероятность появления трещин и они больше уда-
пены от шва.
С целью устранения напряжений необходим тепловой режим,
который препятствовал бы возникновению мартенсита в околошов-
ной зоне. Таким режимом может быть охлаждение заготовок
после сварки в сборнике (термостате) или печи с температурой
400 °C или выше. Температура 400 °C является точкой начала
мартенситного превращения. Заготовки или заполненный сборник
переносят в печь, и устанавливают режим отжига: нагрев до 860-
885 °C, выдержка 2-4 ч; снижение температуры до 730-740 °C,
выдержка 4 ч; медленное охлаждение с печью до 400 °C. При этой
температуре заготовки выгружают из печи.
Для исключения трещинообразования может быть применен
сокращенный изотермический отжиг, при котором заготовки
помещают после сварки в печь с температурой 740-760 °C; после
окончания сварки партии или заполнения печи дается выдержка
при этой температуре 6-8 ч. Затем заготовки охлаждают в печи до
550 °C и выгружают на воздух.
Отжиг проведен нормально, если твердость быстрорежущей
стали в околошовной зоне «S 240 НВ.
Отжиг сварных заготовок сопровождается диффузией углеро-
да из конструкционной в быстрорежущую сталь. В конструкцион-
ной стали, примыкающей к шву, образуется ферритный участок
шириной до 0,6 мм. Чем длительнее отжиг, тем больше участок
Феррита. Принято, что ширина участка не должна превышать
и>3 мм. Увеличение его ширины в 2 раза снижает прочность сварно-
го соединения на растяжение на 8-10 %.
Диффузия углерода в быстрорежущую сталь приводит к повы-
шению содержания его на участке, примыкающем ко шву. Точка
начала мартенситного превращения на этом участке снижается на
50-100 °C. Более позднее мартенситное превращение по отноше-
нию ко всей массе быстрорежущей стали может вызвать появле-
ние на этом участке трещин с поверхностью черного цвета, обра-
щенной выпуклостью в сторону основной массы быстрорежущей
стали. Трещины, несмотря на небольшую глубину и малую про-
тяженность, являются сильными концентраторами напряжений.
Во избежание их появления необходимо:
1. Не погружать шов в соляную ванну при окончательном
нагреве под закалку сварного инструмента. Для этого сварной шов
должен быть расположен на расстоянии 10-15 мм от рабочей части
инструмента, которая закаливается полностью.
2. Применять для хвостовой части инструмента хромованадие-
вые стали, например 40Х, 50ХФА, 35ХГСА. Присутствие в стали
хрома уменьшает диффузию углерода в быстрорежущую сталь.
Экспериментально установлено, что при отжиге длительностью
7,5 ч сварной заготовки с хвостовиком из стали 45 ширина дефект-
ного участка 0,3 мм, а с хвостовиком из стали 35ХГСА - 0,01 мм.
Применение для хвостовика стали 50ХФА позволяет закаливать
инструмент, целиком погружая в масло. После отпуска по режи-
мам быстрорежущей стали твердость корпуса 30-35 HRC3, что удов-
летворяет требованиям ГОСТ.
3. Использование для охлаждения при закалке режущих ин-
струментов соляных сред с температурой 600-620 °C.
Для паяного инструмента с режущими элементами из быстро-
режущей стали преимущественно применяют:
совмещенную термическую обработку рабочей части инстру-
мента с нагревом для аустенитизации и пайки в соляной ванне;
отдельную термическую обработку режущих элементов и кор-
пуса инструмента на оптимальную твердость и пайку припоем
марки ПСр40. Этот вариант редко используется из-за дефицит-
ности серебра;
также очень редко применяется пайка (наварка) пластин из
быстрорежущей стали к корпусу резца с использованием припоя,
называемого „сварочным порошком”. После пайки с индукцион-
ным и контактным нагревом перед термической обработкой по
обычному режиму требуется отжиг. Этот способ энергоем-
кий, длительный и не обеспечивает высокого качества инстру-
мента.
Термическая обработка паяного инструмента с режущими
элементами из твердого сплава для призматического инструмента
(резца) проводится в двух вариантах:
1) пайка, затем закалка резцов, для чего их помещают в ванну
с водой (не погружая пластину из твердого сплава) или пропуска-
ют над водной струей спреера. Корпус резца получает твердость
35-40 HRC3, что положительно влияет на эксплуатационные
качества. Лучший результат обеспечивается при изготовлении
державки из стали 40 X;
2) если державка резца изготовлена из стали 35ХГСА, то для
еГо охлаждения после пайки используется струя воздуха, корпус
резпа получает твердость 35-40 HRCS.
В большинстве случаев паяному инструменту для снятия оста-
точных напряжений необходим отпуск при температуре 200-240 °C!
длительностью 4-5 ч.
При изготовлении клееного инструмента для отверждения
клеевого шва применяется нагрев при температуре 150-200 °C
0,5-3 ч. Термическую обработку режущих элементов и корпуса
инструмента производят раздельно (до склеивания), что обеспечи-
вает наиболее оптимальные условия термической обработки (за-
калки и отпуска) для каждой марки стали.
ГЛАВА 2. СВАРНОЙ ИНСТРУМЕНТ
2.1. КОНСТРУИРОВАНИЕ СВАРНОГО РЕЖУЩЕГО
ИНСТРУМЕНТА
Основные виды сварного режущего инструмента, выпускаемые
отечественной промышленностью, приведены в табл. 2.1. Место
расположения сварного шва выбирают из условий экономии быс-
трорежущей стали и его прочности. Форма и размеры заготовок
должны быть максимально приближены к размерам готового ин-
струмента и соответствовать одной из форм, приведенных на рис. 2.1.
2.1. Сварной режущий инструмент
Инструмент гост Эскиз
Сверла спиральные с цилин-
дрическим хвостовиком
10902-77
4010-77
Сверла спиральные с коничес-
ким хвостовиком
Сверла спиральные удлинен-
ные с коническим хвостовиком
Зенкеры с коническим хвосто-
виком
Зенкеры перовые с цилиндри-
ческим хвостовиком для глу-
хих отверстий
Зенкеры перовые с коническим
хвостовиком для глухих отвер-
стий
10903-77
12121 -77
19546-74
2092-77
12489 -71
-Н-
Инструмент ГОСТ
Развертки ручные (сталь Р9 илиР18) 7722 -77
Развертки машинные 1672-80
Развертки под коническую резьбу диаметром до 2"
Развертки конические 10081 -84 10082-71
Развертки конические под ко- нус Морзе 11182 -71 11183-71
Развертки конические с кони- ческим хвостовиком под конус Морзе 10079-71
Развертки конические под ко- нические штифты 11177-84
Метчики гаечные 1604-71
Метчики гаечные с изогнутым Хвостовиком 6951 -71
Метчики машинно-ручные 3266 -81
Фрезы концевые 16231 -81 17025 - 71 17026 - 71
Фрезы шпоночные 9140-78
Фрезы для пазов шпонок сег- ментных -
Фрезы для станочных Т-образ- ных пазов 7063-72
Резцы токарные из быстроре- жущей стали: проходные пря- мые, правые и левые 18869 -73 18870-73 18871 -73 18873-74
расточные с углом <р = 60* для сквозных отверстий -
расточные для глухих от- верстий -
прорезные -
отрезные правые и левые —
Инструмент гост Эскиз
фасочные двусторонние
с углом ф = 45*
фасочные односторонние
с углом ф == 45 правые и
левые
Резцы расточные державочные
из быстрорежущей стали
Резцы долбежные из быстроре-
жущей стали:
прорезные
10044-73
10046-72
для шпоночных пазов
Резцы автоматно-револьвер-
ные расточные быстрорежущие
Резцы автоматно-револьверные
расточные с углом 90“ быстроре-
жущие
Резцы зубострогальные для ко-
нических колес с прямым зу-
бом, нарезаемые методом об-
катки
5392 - 80Е
tt
Продолжение табл. J
Инструмент ГОСТ Эскиз
-
Резцы автоматно-револьвер- 11 1
ные проходные прямые быстро- режущие, правые и левые л
я
Резцы автоматно-револьвер- ные проходные прямые с углом 90*, быстрорежущие правые, ле- вые
[i I (с 4
ft
Резцы автоматно-револьвер- ные фасочные с углом ф = 45*, - 1 —*t^*w*^ I
быстрорежущие правые, левые Резцы автоматно-револьвер- ные фасочные двусторонние, быстрорежущие - Xs х I \ \1 Ц
1
1——li—
—Ik^.
С г 'F*-1-
и-
Резцы автоматно-револьвер- ные для внутренних фасок, быстрорежущие Резцы автоматно-револьвер- ные расточные с углом ф = 60* быстрорежущие - у- 1 ii 1
1 II—‘
11L
и —ii=J н
1 -JL
1
Инструмент ГОСТ Эскиз
Долбяки хвостовые прямозубые 9323 —79
I т 1
Долбяки хвостовые косозубые 9323 - 79 6762-79 Протяжки для цилиндрических 20365 — 74 отверстий диаметром 14 — 90 мм протяжки для шлицевых от- 24818 — 81 + верстий с прямобочным про- 24823 — 81 филем протяжки для шлицевых от- 25157 — 82 + верстий с эвольвентным про- 25161 —82 филем Зенковки 14953 _ 80Е Гребенки зуборезные прямозу- — бые, косозубые чистовые с уг- лом профиля исходной рей- ки 20е Сегменты к круглым пилам для металла Пилы ленточные для разрезк и ТУ 2-035-462-76 металла
«Ей л $ ?—I
г
f 1
Рис. 2.1. Заготовки режущего инстру
мента с цилиндрической (а) и кониче.
ской (б) проточной шейки:
1 — заготовка из быстрорежущей стали;
2 — заготовка из конструкционной
стали
Как показали экспери-
менты и практика, обязатель-
ным условием получения ка-
чественного сварного соедине-
ния является равенство плота'
дей и одинаковость формы по-
верхности торцов свариваемых
заготовок. Для сварки загото-
вок с различным
необходимо на
большего размера
сделать
проточку шейки. Не допуска-
ется расположение сварного
шва: в рабочей зоне инстру-
мента (рис. 2.2, а), кроме особо
оговоренных на чертеже, на
посадочных поверхностях (рис.
2.2. б), в месте резкого перехода
(рис. 2.2, е). Сварной шов дол-
жен отстоять от таких мест на
расстояние (0,5 - 0,75) dH.
47
6)
Рис. 2.2. Расположение сварного шва в
концевом режущем инструменте
6 при длине инструмента
йн До 100 100-150 150-200 200-250 250-300 300-350 350-400 400-450 450-500 500-600
б-10 1.4 1,45 1,6 1,7 1,9 2,15 2,4 2,7 3 3,5
10-14 1,4 1,45 1,6 1,75 1,9 2,15 2,4 2,7 3 3,5
14-23 1,6 1,65 1,8 1,95 2,1 2,35 2,6 2,9 3,2 3,7
23-31 1,6 1,65 1,8 1,95 2,1 2,35 2,6 2,9 3,2 3,7
31-36 2 2,05 2,2 2,35 2,5 2,75 3 3,3 3,6 4,1
36-46 2 2,05 2,2 2,35 2,5 2,75 3 3,3 3,6 4,1
46-50 2 2,05 2,2 2,35 2,5 2,75 3 3,3 3,6 4,1
50-56 2,2 2,25 2,4 2,55 2,7 2,95 3,2 3,5 3,8 4,3
56-60 2,2 2,25 2,4 2,55 2.7 2,95 3,2 3,5 3,8 4,3
60-70 2,2 2,25 2,4 2,5.5 2,7 2,95 3,2 3,5 3,8 4,3
70-75 2,6 2,65 2,8 2,95 3,1 3,35 3,6 3,9 4,3 4,7
75-80 2,6 2,65 2,8 '2,95 3,1 3,35 3,6 3,9 4,3 4,7
dH б' при длине инструмента
До 100 100-150 150-200 200-250 250-300 300-350 350-400 400-450 450-500 500-550 550-600
6-10 1,6 1,65 1,8 1,9 2,1 2,35 2,6 2,9 3,2 3,5 3,7
10-14 1,6 1,65 1,8 1,9 2,1 2,35 2,6 2,9 3,2 3,5 3,7
14-23 1,86 1,9 2,05 2,15 2,35 2,6 2,85 3,15 3,45 3,75 3,95
23-31 2 2,05 2,2 2,3 2,5 2,75 3 3,3 3,6 3,9 4,1
31-36 2 2,05 2,2 2,3 2,5 2,75 3 3,3 3,6 3,9 4,1
36-46 2 2,05 2,2 2,3 2,5 2,75 3 3,3 3,6 3,9 4,1
46-50 2 2,05 2,2 2,3 2,5 2,75 3 3,3 3,6 3,9 4,1
50-56 2,45 2,5 2,65 2,75 2,95 3,2 3,45 3,75 4,05 4,35 4,55
56-60 2,45 2,5 2,65 2,75 2,95 3,2 3,45 3,75 4,05 4,35 4,55
60-70 2,7 2,75 2,9 3 3,2 3,45 3,7 4 4,3 4,6 4,8
70-75 2,7 2,75 2,9 3 3,2 3,45 3,7 4 4,3 4,6 4,8
75-80 2,7 2,75 2,9 3 3,2 3,45 3,7 4 4,3 4,6 4,8
dH б' при длине инструмента
До 100 100-150 150-200 200-250 250-300 300-350 350-400 400-450 450-500 500-550 550—600
5-10 1.6 1,65 1,8 1,9 2,1 2,35 2,6 2,9 3,2 3,5 3,7
10-14 1,6 1,65 1,8 1,9 2,1 2,35 2,6 2,9 3,2 3,5 3,7
14-23 1,86 1.9 2,05 2,15 2,35 2,6 2,85 3,15 3,45 3,75 3,95
23-31 2 2,05 2,2 2,3 2,5 2,75 3 3,3 3,6 3,9 4,1
31-36 2 2,05 2,2 2,3 2,5 2,75 3 3,3 3,6 3,9 4,1
36-46 2 2,05 2,2 2,3 2,5 2,75 3 3,3 3,6 3,9 4,1
46-50 2 2,05 2,2 2,3 2,5 2,75 3 3,3 3,6 3,9 4,1
50-56 2,45 2,5 2,65 2,75 2,95 3,2 3,45 3,75 4,05 4,35 4,55
56-60 2,45 2,5 2,65 2,75 2,95 3,2 3,45 3,75 4,05 4,35 4,55
60-70 2,7 2,75 2,9 3 3,2 3,45 3,7 4 4,3 4,6 4,8
70-75 2,7 2,75 2,9 3 3,2 3,45 3,7 4 4,3 4,6 4,8
75-80 2,7 2,75 2,9 3 3,2 3,45 3,7 4 4,3 4,6 4,8
Сварной шов на сверлах (табл. 2.1, эск. 1, 3) должен располагать-
ся на участке между концом рабочей части и шейкой сверла.
Сваривать можно заготовки диаметром 10 - 80 мм. После выбора
тиПов сварных заготовок необходимо определить их диаметры и
длины.
Диаметр заготовки рабочей части инструмента
£p = dH + 6>
где - номинальный диаметр инструмента; 6 - технологический
припуск (табл. 2.2).
Диаметр заготовки хвостовой части
DXB = dH + t>',
где 6’ - технологический припуск (табл. 2.3).
На технологический припуск влияет смещение осей сваривае-
мых заготовок. Смещение возможно из-за несоосности нижних
зажимов машины для стыковой сварки или зажимных цанг маши-
ны для сварки трением и овальности заготовок. Естественно, чем
больше смещение осей заготовок, тем больший припуск требуется
на обработку.
Если максимальные смещения осей заготовок не превышают
значений, приведенных в табл. 2.4, то достаточно припуска, ука-
занного в табл. 2.2 и 2.3. Соблюдение указанных требований позво-
ляет отказаться от произвольного выбора диаметров заготовок
под сварку и обеспечивает экономию дорогостоящей‘стали.
2.4. Допускаемое смещение осей заготовок (размеры в мм)
dH Смещение осей Диаметр готовой детали Смещение осей
6-10 0,4 46,5-50,6 0,5
10-14 0,4 51-56 0,57
14-23 0,42 57-60 0,57
23-31 0,42 61-70 0,65
31-36 0,5 72-75 0,65
36-46 0,5 76—80 0,7
2.5. Допускаемые значения скоса торцов стержней
(размеры в мм)
d Скос торцов стержней из сталей, не более
быстрорежущей конструкционной
Ю-14 0,2 0,3
15-24 0,3 0,5
25-30 0,5 1,0
31-40 0,7 1,3
41-50 0,9 1,5
51-60 1,1 1,8
Рис. 2.3. Расположение сварного шва «
заготовках малого размера
Длина заготовки рабочей Lpa6 и хвостовой £хв частей, мм:
Чаб= /ра6 + Л//2 + ЛК,-
< = Ь-'Ра6 + Л//2 + ДК’
где I ра6 - длина рабочей части в изготовленном инструменте;
А/ - припуск на подрезку торцов после сварки; ЛК, ДК' -припуск н
сварку соответственно для быстрорежущей и конструкционной
стали; L — длина готового инструмента.
Прутки на мерные заготовки рубят на прессах, отрезают н»
абразивно- или ленточно-отрезных станках, при этом скос торцо®
не должен превышать значений, указанных в табл. 2.5.
Если длина заготовки рабочей части инструмента не обеспечи
вает ее закрепления в губках машины для стыковой сварки, т(
следует брать заготовку двойной длины. К этой заготовке с дву]
сторон приваривают заготовки хвостовой части, а затем рабочук
часть разрезают пополам (рис. 2.3).
2.2. СПОСОБЫ СВАРКИ В ИНСТРУМЕНТАЛЬНОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ
Стыковая сварка оплавлением. Нагрев торцов стержней осуще
ствляется преимущественно за счет теплоты, выделяемой в меси
контакта при прохождении сварочного тока. Процесс сварки скла
дывается из трех стадий: подогрева, оплавления и осадки.
Подогрев осуществляется импульсами тока при возвратно-по
ступательном движении одной из заготовок. При этом возникав:
Рис. 2.4. Распределение температуры в стыке при сварке оплавлением
кпообразование - прерывистое оплавление, обеспечивающее рас-
пределение температуры вдоль стержней (рис. 2.4).
Р Если стержни на короткий промежуток времени замкнуть, то
на торнах выделится определенное количество теплоты
Соис. 2.4, а). Как только стержни разомкнутся, торцы начнут охлаж-
даться, отдавая теплоту внутрь заготовки. Кривая распределения
температур становится более пологой, и глубина распространения
повышенной температуры станет большей (рис. 2.4, 6). Если прове-
сти повторное замыкание, то произойдет повторное повышение
температуры (рис. 2.4, в). Остывание за время второго размыкания
даст еще более пологую кривую температуры (рис. 2.4, г). В резуль-
тате таких замыканий и размыканий концы стержней окажутся
нагретыми настолько, насколько это необходимо для пластиче-
ской деформации при осадке. Чем чувствительнее быстрорежущая
сталь к нагреву, тем короче должны быть импульсы тока при замы-
кании. Длительность замыканий 0,08-0,5 с, длительность пауз
между замыканиями 0,12-0,3 с. Число замыканий зависит от пло-
щади свариваемого сечения, силы тока и свойств свариваемых
металлов:
z ~
(60+2D)Dy
где z - число замыканий; D - диаметп заготовки, мм; У - коэффици-
ент, А/мм2; - сила тока в первичной обмотке сварочного транс-
форматора. А; у = 1 для сталей вольфрамовой и вольфрамокобальто-
вой групп; у = 0,9 для сталей вольфрамо-молибденовой и вольфра-
мо-мол ибдено-кобальтовой групп; у = 1,1 для сгалей других групп.
Время подогрева
^^22^—TD,
л
где t3 - продолжительность одного замыкания, с; 1п - продолжи-
тельность паузы, с.
Припуск на подогрев, входящий в общий припуск на сварку,
составляет 1-3,5 мм в зависимости от свариваемого сечения.
Поверхность торцов заготовок после подогрева имеет лунки
различной глубины. Для их удаления проводят оплавление, при
котором в стыке образуется жидкий слой. При оплавлении свари-
ваемые торцы непрерывно движутся навстречу друг другу с неко-
торой скоростью уопл. Когда торцы заготовок приходят в соприко-
сновение, возникает электрический контакт в какой-то точке,
лотность тска в этой точке увеличивается настолько, что вызы-
вает мгновенный нагрев и расплавление металла.
возникшая перемычка жидкого металла под действием
сяВу)ХН°СТНОГ° натяжения будет стремиться сузиться и разорвать-
• Уменьшение поперечного сечения перемычки вызовет увели-
Ние Плотности тока и температуры, металл в центре перемычки
перейдет в парообразное состояние и разрушит жидкую перемыч-»
ку. Электрическая цепь окажется разорванной, но так как торцы
заготовок непрерывно сближаются, то после разрыва жидкой
перемычки в одном месте будет возникать жидкая перемычка в
другом. При этом разрыв перемычки будет также являться при.
чиной возникновения новой перемычки, поскольку частицы
жидкого металла могут замыкать электрическую цепь в других
местах. Так возникает процесс непрерывного оплавления, при
котором поверхность торцов окажется покрытой пленкой жидкого
металла толщиной около 0,3 мм. [
При оплавлении усилия для сближения торцов не требуется
(кроме усилия на преодоление трения подвижной плиты свароч-
ной машины), но необходимо непрерывное и плавное сближение
торцов заготовок с определенной скоростью. При высокой скоро-
сти сближения торцы заготовок могут слипнуться и оплавление
прекратится. При малой скорости оплавление становится пре-
рывистым. Электрическое напряжение на торцах также должно
иметь определенную величину: при низком напряжении процесс
идет неустойчиво, при высоком - на торцах образуются глубокие
лунки, не заполняемые металлом при осадке.
Интенсивность искрообразования зависит от подводимой к
стыку мощности, а также от степени предварительного нагрева
заготовок. Чем больше мощность и выше степень нагрева загото-
вок, тем интенсивнее искрообразование. При оптимальной мощно-
сти скорость оплавления 0,8-2,2 мм/с.
Качество сварного соединения во многом зависит от осадки.
Значение давления, скорость и характер изменения осадки влия-
ют на прочность сварного соединения. Пель осадки - выдавить
жидкий металл из зазора между торцами, чтобы пришли в сопри-
косновение нагретые поверхности торцов, находящиеся в твердом
состоянии. Так как жидкая пленка металла между торцами
быстро переходит в твердое состояние, время осадки должно быть
меньше времени перехода металла из жидкого состояния в твер-
дое. Если жидкий металл останется в шве, то образуются участки
с усадочными раковинами, рыхлостями, газовыми пузырями и
ледебуритной эвтектикой.
Значение осадки определяется толщинами слоев расплавлен-
ного и перегретого металла (0,8-1,5 мм), зазором между торцами
при оплавлении (0,2-0,3 мм), глубиной лунок на торцах заготовок
(1-2 мм). Суммируя эти значения, получаем осадку 2-3,8 мм.
Давление осадки зависит от сопротивления быстрорежущей
стали деформации, сечения свариваемых заготовок и составляет
25-40 МПа (меньшее значение для больших диаметров заготовок).
Скорость осадки должна быть 15-20 мм/с, а длительность 0,2 с.1
При увеличении скорости осадки возможно образование усадоч-
ных раковин в околошовной зоне, при уменьшении - окисление
торцов заготовок. Чтобы не допустить окисления свариваемых
поверхностей, осадку следует начинать под током, а чтобы избе-
жать перегрева быстрорежущей стали, завершать ее следует без
тока.
Сварка трением осуществляется путем предварительного
нагрева свариваемых торцов заготовок за счет сил трения и после-
дующей проковки.
Известно несколько схем приложения Давления, которые обес-
печивают качественное сварное соединение. Однако наиболее
широко используется схема с двухступенчатым изменением
давления (рис. 2.5). Вначале к торцам заготовок прикладывается
давление нагрева рн Затем, когда оно достигнет установленного
значения (период нарастания давления в существующих машинах
составляет 0,3-0,4 с), начинается вращение заготовки (частота
вращения достигает максимального значения за 0,15-0,2 с), торцы
заготовок нагреваются. В дальнейшем процесс нагрева протекает
при постоянном давлении и установившейся частоте вращения
стержня. По истечении установленного времени нагрева происхо-
дит прекращение вращения стержня и резкое увеличение давле-
ния до значения проковки рпр. Для получения качественного
соединения дается определенная выдержка тпр под давлением
проковки, затем происходит сброс давления, и система возвра-
щается в исходное состояние для повторного цикла.
Существуют схемы процесса, при которых свариваемые стержни
вращаются в разные стороны или оба стержня неподвижны, а
вращается третья деталь - вставка. Машины сварки трением
работают в полуавтоматическом режиме, установка и съем загото-
п — частота вращения заготов-
ки; р„ рпр - давление нагрева и
проковки соответственно
Рис. 2.6. Распределение температуры в стыке
при сварке трением в точках с текущим ра-
диусом п
1 - г = 0,51?; 2 — г = 0,81?; 3 - г= 0
вок производятся вручную. Частота вращения стержня обычно
постоянная для определенного диапазона диаметров стержней.
Давление нагрева и проковки контролируются манометрами с;
ценой деления 0,5 МПа, время нагрева и проковки - реле времени, i
Тепловыделение на поверхности трения при двухступенчатой
схеме приложения давления неравномерно в начале процесса
(рис. 2.6). Начальное место тепловыделения - средняя кольце-
вая зона с текущим радиусом г, равным 0,35-0,65 радиуса стержня
R (кривая 1). По мере ведения процесса тепловыделение распро-
страняется от средней зоны к периферийной (кривая 2) и централь-
ной (кривая 3) зонам. Однако нагрев периферийной зоны несколь-
ко отстает от нагрева остальной поверхности. Перемещение метал-
ла средних и центральных слоев к периферии способствует вырав-
ниванию температуры по торцу.
Длительность выравнивания температуры зависит от давле-
ния и физико-механических свойств быстрорежущей стали: для
стержней диаметром 10-40 мм она составляет 0,5-10 с. Температу-
ра контактируемых поверхностей достигает максимального зна-
чения и мало изменяется при дальнейшем ведении процесса
нагрева. Средняя максимальная температура в стыке при сварке
заготовок из быстрорежущих сталей с заготовками из сталей кон-
струкционных, как правило, не превышает 1200-1300 °C. Поэтому
при сварке трением этих сочетаний металлов отсутствуют харак-
терные для других видов сварки рост зерна и образование леде-
бурита, сообщающего соединению хрупкость.
Теплота, генерируемая источником после выравнивания тем-
пературы по торцу, расходуется на увеличение глубины прогрева
торцов стержней - важного фактора, определяющего усилие
проковки.
В процессе сварки в стыке образуется слой с промежуточными
свойствами, которые определяют прочность соединения. Он яв-
ляется результатом переноса частиц быстрорежущей стали на
поверхность конструкционной стали при разрушении „мостиков
схватывания”. Максимальная толщина (0,5—1,0 мм) промежуточ-
ного слоя наблюдается при выравнивании температуры по торцу;
его структура после сварки и охлаждения на воздухе: аустенит +
+ мартенсит + карбиды, а твердость 800-850 HV.
Структура промежуточного слоя после отжига - соорбитооб-
разный перлит и карбиды. При отжиге происходит насыщение угле-
родом промежуточного слоя: углерод из конструкционной стали
диффундирует в промежуточный слой. Твердость промежуточного
слоя после отжига несколько выше, чем у быстрорежущей стали и
составляет 300-320 HV (31-33 НИСЭ). В конструкционной стали,
примыкающей к промежуточному слою, образуется ферритная
прослойка.
Химический состав промежуточного слоя после сварки загото-
вок - средний между химическими составами быстрорежущей и
конструкционной сталей, содержание углерода в промежуточ-
слое после отжига больше, чем в быстрорежущей стали. Точка
Н°чала мартенситного превращения промежуточного слоя вслед-
Нтвие повышенного содержания углерода понижается, что вызы-
с т при закалке сварного инструмента неодновременные струк-
Бупные превращения в шве, и возможно появление трещин по гра-
нице промежуточного слоя и быстрорежущей стали.
При неправильно выбранном режиме в промежуточном слое
могут иметь место дефекты - несплошности, которые в изломе
имеют вид блестящих колец на поверхности трения. Их твердость
достигает 1300-1500 HV.
Строчечность карбидов в промежуточном слое распределяется
перпендикулярно оси заготовки. Присутствие в стыке промежуточ-
ного слоя снижает прочность соединения: чем больше толщина
промежуточного слоя, тем ниже прочность соединения (рис. 2.7).
Соединения, содержащие промежуточный слой, плохо воспри-
нимают закалку; по границе его с быстрорежущей сталью возни-
кают трещины. Вид излома в этом случае чашеобразный с углуб-
лением в стержень из быстрорежущей стали.
Присутствие в стыке промежуточного слоя рассматривается
как дефект соединения. Для получения соединения хорошего
качества необходимо в процессе сварки промежуточный слой уда-
лить из стыка в грат, что обеспечивается определенной длитель-
ностью нагрева после выравнивания температуры по торцу
(рис. 2.8) и повышением давления проковки (рис. 2.9).
Длительности нагрева и проковки для быстрорежущих сталей
с разными физико-механическими свойствами различны.
рис. 2.7. Влияние толщины
промежуточного слоя на
прочность соединения
Рис. 2.8. Зависимость толщины промежу-
точного слоя в стыке от тн:
1 - Р6М5 + сталь 45, рн = 47 МПа; 2 - Р6М5 +
+ сталь 45, рн = 94 МПа; 3 — Р14Ф4 + сталь45,
Рн = 47 МПа; 4 — Р14Ф4 + сталь45, рн =
= 94МПа
Г.-tc. 2.9. Влияние Рпр на толпджу
«уточного слоя в стыке
Для определения техноло.
гических параметров сварки
заготовок из быстрорежущих
сталей с заготовками из кон-
струкционных сталей в инстру.
ментальном производстве
рекомендованы расчетно-экспе.
риментальные формулы:
рн = cF~^,s\ рпр = ₽cF-<v«),
тн = aFb, AF±0,5 = m- yF,
где рн,.рПр - давление нагрева и проковки, МПа; F - площадь сече-
ниясвариваемой заготовки, мм2; т н - время нагрева, с; Д К - сум-
марная осадка, мм.
Оптимальное время проковки тпр = 3...5 с. Значения коэффици-
ентов с, Р, a, b, s, у, т, входящих в формулы для быстрорежущих
сталей, приведены в табл. 2.6. Эти коэффициенты выбраны исходя
из параметров (максимального осевого усилия и частоты враще-
ния) используемых машин для сварки трением. Поэтому режимы
сварки, рассчитанные применительно к машине одного типа,
могут оказаться не пригодными для машин другого типа (см.
п. 2.4).
Рельефная сварка (рис. 2.10) позволяет соединять заготовки малой высоты с
развитым сечением [А. с. № 590106 (СССР)]. На свариваемые поверхности наносят
рельефы. Поверхности заготовок располагают так, чтобы рельефы были взаимно
перпендикулярны; заготовки сжимают и пропускают сварочный ток. За счет высо-
кого контактного сопротивления (касание только по вершинам рельефов) обеспе-
чивается локальный нагрев в зоне сварки, а приложенное усилие создает интенсив-
ную деформацию рельефов. В результате получается прочное сварное соединение с
волнистой поверхностью.
Во ВНИИинструменте рельефную сварку применили для получения метчиков,
сегментов к сегментным пилам диаметром 630 мм. В метчике из быстрорежущей
стали выполняли только зубья, в сегментах — режущую часть высотой 25 мм. Корпус
метчика и крепежную часть сегмента изготовляли из стали 45.
На свариваемых поверхностях нарезали рельефы треугольной формы с углом
при вершине 60 °, шагом 1,5 мм для метчиков и 2 мм для сегментов, глубина рель-
ефов 0,8 и 1,7 мм соответственно. Рельефы на режущей и крепежной частях сегмен-
тов нарезали под углом 45° к боковой поверхности с тем, чтобы исключить непрова-
ры по периферии. Сварку проводили на низкочастотной установке рельефной
сварки МРН-15001 в режиме, приведенном в табл. 2.7.
2.6. Коэффициенты для расчета технологических параметров процесса сварки
Сталь С £ ₽ а'10“2 Ь у 10~3 ГЛ
Р6М5 8350 1,2 1,5-1,8 6,9 0,98 3,5 5,5
Р12 15700 1,06 1,5-2 8,4 0,93 5,5 5,5
Р9М4К8 15600 1,1 1,7-2 7,6 0,92 3,5 4,5
Р9К5 и Р9К10 13600 1,15 2-2,2 3,7 1,03 2,5 4,3
Р18Ф2К8М 17600 1,09 2-2,2 7,1 0,81 5,2 5,5
Р9Ф5 13500 1,16 2,2-2,5 1 1,25 1,5 4
Р14Ф4 12300 1,17 2,2-2,5 1,7 1,15 1,5 3,9
Р6М5 31800 1,13 1,5-1,8 94 0,55 1,4 5
Р12 23500 1,1 1,5-2 37 0,65 1,2 4,6
Р9М4К8 49000 1,08 2-2,2 44 0,61 1,4 4,5
Р9К5 и Р9К10 83500 1 2-2,2 37 0,63 1,3 4,3
Р9Ф5 62300 1,05 2,2-2,5 30 0,65 0,5 3,6
Р14Ф4 68000 1,04 2,2-2,5 27 0,66 0,5 3,5
Рис. 2.10. Схема установки для
рельефной сварки инструмента:
1 — заготовка крепежной части;
2 — заготовка рабочей части;
3 — токоподводящие электроды;
4 — сварочный трансформатор;
5 — прерыватель тока
Металлографические исследования
сварного соединения после отжига показы-
вают отсутствие в шве непроваров, тре-
щин, ледебуритной эвтектики. В зоне
соединения при отжиге происходят те же
процессы, что и при сварке трением и при
стыковой сварке оплавлением. Ширина
зоны термического влияния и ферритной
прослойки меньше, чем при стыковой
сварке оплавлением, в 2-2,5 раза.
Прочность соединения после отжига
соответствует прочности конструкционной
стали в отожженном состоянии: на круче-
ние она составляет 600-640 МПа, на растя-
жение 560—590 МПа.
Производственные испытания показа-
ли одинаковую стойкость составных ин-
струментов (метчиков и сегментов) и таких
же инструментов, полученных стыковой
сваркой оплавлением и сваркой трением.
Рельефной сваркой можно получить
качественные соединения заготовок из
быстрорежущей и конструкционной сталей в предварительно закаленном состоя-
нии. Для исключения образования трещин заготовки после сварки необходимо
охлаждать в печи в течение 3 ч при температуре 280—300 °C. Прочность на изгиб
такого соединения составляет 4300 МПа, что в 2 раза выше, чем при пайке, и в 4,3
раза выше, чем при склеивании. Твердость на расстоянии 1—1,5 мм от сварного шва
составляет 59-60 HRC3, а в остальном объеме сохраняется на уровне 62-64 HRC3 для
стали Р6М5 и 20—48 HRCg для стали 45.
Такие свойства рельефной сварки были реализованы при изготовлении отрез-
ных резцов. Испытания опытной партии отрезных резцов размером 20X12 мм показа-
ли такую же стойкость, как у цельных резцов из быстрорежущей стали.
Электронно-лучевая сварка. В инструментальном производстве используется
линия электронно-лучевой сварки для получения биметаллических полотен лен-
точно-отрезных пил различных размеров (рис. 2.11). Размоточный узел 1 позволяет
разматывать полотно-основу и проволоку из быстрорежущей стали с определенной
скоростью и следить с помощью бесконтактного выключателя за их концами. Соеди-
нительный узел 2 состоит из приспособлений для контактной стыковой сварки как
конца проволоки, так и конца полотна-основы с их началом из нового бунта. Пра-
вильная установка 3 позволяет править проволоку и полотно основы как по высоте,
так и по ширине. Правильное устройство обеспечивает прямую во всех направле-
2.7. Режимы аварки заготовок метчиков и сегментов
Инструмент Сила тока, кА Усилие, кН Длительность, с Число импульсов
импульса паузы
Метчик М27 120 70 0,08 0,02 2
Сегмент 105x8x32 150 60 0,01 0,02 6
Рис. 2.11. Линия электронно-лучевой сварки ленточных пил
ниях проволоку с прямоугольным сечением (ширина не более 1,5 мм), что является
предпосылкой для получения безупречного сварного соединения полотна и прово-
локи. В. моечной установке 4 имеются позиции по очистке верхней и нижней сторон,
боковых сторон проволоки и полотиа-основы, промывке их горячей водой и сушке
горячим воздухом.
Сварочный агрегат 5 включает в себя вакуумную установку, электронно-луче-
вой генератор и систему управления. Вакуумная установка имеет роторно-щелевые
насосы для предварительного вакуумирования и пластинчатые для создания ваку-
ума в рабочей камере. Электронно-лучевая установка обеспечивает высокую ста-
бильность параметров луча в течение длительного времени при высоком напряже-
нии. Она надежна в работе и удобна в эксплуатации.
В установке используется высоковольтная электронная пушка (150 кВт), что
обеспечивает при больших рабочих расстояниях (150—1500 мм) узкие сварные швы
(0,2—0,3 мм у вершины и 0,1—0,15 мм у корня шва). Теплозащитный экран в нижнем
конце пушки входит в рабочую камеру и защищает элементы пушки от непосред-
ственного напыления и разбрызгивания металла, теплового и рентгеновских излу-
чений. За счет автономного вакуума в ускоряющей эоне осуществляется продувка
пушки, и она не подвергается загрязнению. Оптическая часть электронно-лучевой
установки позволяет оператору контролировать фокусировку электронного луча и
геометрические параметры сварного шва. В автономной секции пушки смонтирова-
ны бинокулярный телескоп и галогенный световой источник, имеются призмы и
отклоняющие зеркала, приводимые от двигателя. Стекла защищают оптические
элементы от напыления. Электронно-лучевая пушка имеет напряжение ускорения
100—150 кВ, стабильность напряжения 1 %, сила тока электронного луча 0—56 А, ста-
бильность в диапазоне более 0,5 мА составляет 1 %; мощность излучения 0—8,5 кВт,
время выхода и входа 0,3—30 с при токе < 10 мА, юстировочный ток от 0 до ±150 А;
увеличение в оптических приборах от 3 до 6 раз; вакуум в рабочей камере 10~8МПа;
длительность откачки воздуха из рабочей камеры 5 мин. Управляется пушка систе-
мой программного управления на базе микрокомпрессоров.
Оптимальные режимы сварки полотен различной толщины представлены в
табл. 2.8. Сваренная биметаллическая лента наматывается на барабаны 7 до опреде-
ленного диаметра и отрезается в разделительном устройстве 6.
Линия обеспечивает выпуск около 1 млн м биметаллических лент в год. За ру-
бежом подобные линии используются также для получения биметаллических
машинных ножовочных полотен.
2.8. Режимы сварки биметаллических лент
Толщина, мм Сила тока электронного луча, ж Скорость сварки, м/мин
0,95 6,5 11
1,3 9-13 9-13
1,524 8,5 7
1,57 8,5 6,5
Примечание. Ускоряющее напряжение 135 кВ.
2.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕГЛАМЕНТЫ ПРОЦЕССА
СВАРКИ ЗАГОТОВОК ИНСТРУМЕНТА
Выбор способа сварки. При выборе способа необходимо знать
свариваемость быстрорежущих сталей со сталью 45 (40Х). Свари-
ваемость можно характеризовать как свойство сталей образовы-
вать прочное соединение, отвечающее требованиям эксплуатации
режущего инструмента. Для каждого вида режущего инструмента
качество сварного соединения должно определяться технически-
ми требованиями к прочности инструмента, исходя из области его
применения. Известно, что в реальных условиях любая партия
сварных заготовок имеет определенный разброс прочности, кото-
рый зависит от выбранных режимов сварки и физических свойств
свариваемых сталей.
Вероятность получения прочности выше установленной нормы
описывается уравнением
В = 0,5-Ф(0“ -0B)/S, (2.1)
где Ф - функция Лапласа; о” - норма прочности сварного соедине-
ния, зависящая от площади свариваемого сечения, МПа; ов -сред-
нее значение временного сопротивления партии заготовок, МПа;
S - среднее квадратичное отклонение прочности.
Коэффициент относительной свариваемости
Кс = В/ВР18,
где В - вероятность получения прочности выше нормы для сварно-
го соединения исследуемая быстрорежущая сталь - сталь 45; ВР18-
вероятность получения прочности выше нормы для сварного
соединения сталь Р18 - сталь 45.
Для стали Р18 FCc = 1 иВ = 0,64. В табл. 2.9 приведены коэффи-
циенты относительной свариваемости ряда быстрорежущих сталей
со сталью 45 (40Х) стыковой сваркой оплавлением и сваркой тре-
нием. Стали с повышенным содержанием легирующих элементов,
особенно ванадия, кобальта и молибдена, лучше сваривать стыко-
вой сваркой оплавлением. В табл. 2.10 приведены рекомендуемые ме-
тоды сварки для режущего инструмента с рабочей частью из быстро-
режущих сталей разных марок, исходя из области их применения.
Требования к заготовкам под стыковую сварку оплавлением.
Заготовки должны иметь чистую поверхность. Покрытая окали-
ной, ржавчиной и маслами контактная поверхность заготовок
Увеличивает сопротивление вторичной цепи сварочной машины.
Это нарушает процесс оплавления и заставляет проводить сварку
при более высоком вторичном напряжении, что приводит к при-
бегу поверхности заготовок и образованию трещин в местах токо-
подвода. Очистку заготовок производят в галтовочном барабане
или пескоструйном аппарате. Переходное сопротивление поверх-
ностей после очистки не более 50 мкОм.
Проточку шейки на заготовке большего диаметра проводят
2.9. Значение коэффициента К для быстро^вжугда сталей в состоянии поставки
Сварка Р18 Р12 Р9 Р6М5К5 Р9М4К8 Р9К5 Р9К10 Р6М5 Р12ШК8Ф2 Р12Ф4
Трением 1,0 0,97 0,97 0,89 0,87 0,85 0,85 0,94 0,76 0,71
Оплавлением 1,0 1,16 1,01 0,88 0,84 0,93 0,95 1,08 0,68 0,92
2.10. Методы сварки для режущего инструмента
Инструмент Область применения Марка стали для рабочей части инструмента Сварка
Сверла спиральные диа- метром 10—60 мм, зен- керы, зенковки, разверт- ки, метчики машин- но-ручные и гаечные, фрезы концевые, про- тяжки Конструкционные стали Р18 Р6М5 Р12 Трением Трением Оплавлением
Труднообрабаты- ваемый материал Р9М4К8Ф Р6М5К5 Р12МЗК8Ф2 Трением
Р9К5 Р9К10 Р6М5ФЗ Р6М5К5-МП Оплавлением
Резцы токарные, зубо- строгальные, гребенки зуборезные, сегменты к пилам круглым для металла Конструкционные стали Р18 Р12 Р6М5 Оплавлением и рельефная
Труднообрабаты- ваемый материал Р6М5К5 Р12МЗК8Ф2 Р6М5ФЗ Оплавлением
Пилы ленточные, ма- шинные ножовочные полотна по металлу Конструкционные стали Р6М5 Э лектронн о-л у- чевая
Труднообрабаты- ваемый материал 11Р2М10К8 7Р1М5К8
2.11. Рекомендуемая длина шейки (рис. 2.1, а)
при стыковой сварке оплавлением заготовок. Размеры в мм
Диаметр заготовок Длина шейка □ при D/d Длина шейки Ь при D/d
1/1,2 1/1,5 1/2 1/1,2 1/1,5 1/2
8-12 8 9 10 8 10 .11
12-15 8 9 10 8 10 11
16-25 9 11 12 10 12 13
26-34 10 12 14 11 13 16
34-39 12 13 18 15 18 20
40-50 13 15 19 18 22 24
50-55 14 18 22 18 22 26
55-60 15 18 22 20 25 28
60-65 15 18 22 20 25 28
65-70 17 20 25 22 28 32
75-80 18 21 26 22 28 34
80-85 20 23 30 25 32 39
2.12. Режимы стыковой сварки оплавлением заготовок из сталей Р18, Р12, Р9К5, Р6М5,
Р6М5К5, Р9М4К8 с заготовками из стали 45 (40Х)
D, мм Установочная длина, мм заготовок из стали Напряжение на вторич- ной обмотке трансформа- тора на хо- лостом хо- ДУ, в Припуск на сварку, мм Время по- догрева, С Усилие, кН
Сталь Р6М5, Р6М5К5, Р9М4К8 Сталь Р18 Р12, Р9К5 Сталь 45 Общий зажима за- готовок осадки
Р18, Р12, Р9К5 Р6М5, Р6М5К5, Р9М4К8 45 (40Х)
Машина СИ-086
12-15 10 10 15 3,8-4 3 4 2,5 5,5-6,5 3-3,5 7 8,8
16-19 10 10 20 3,8-4 3 4 2,5 5,5-6,5 3-3,5 11,2 14
20-22 14 18 22 4-4,5 3 4 2,5 5,5-6,5 4-5 15,2 19
23-25 16 20 24 4—4,5 3,5 4 3 6,5-7 5-6 18,4 24,5
26-29 17 22 26 4,5-5 3,5 4 3 6,5-7 8-7 19,8 26,4
30-32 19 24 28 4,5-5 3,8 4 3 6,8-7 7-8 28 32,15
Машина СА-2, СИ-Ш
20-22 14 18 22 4,18 3 4 2 5-6 10-13 35 42
23-25 16 20 24 4,52 3,5 4,5 2,5 6-7 13-15 39 47
26-29 17 22 26 4,52 4,5 4,5 2,5 7 15-20 74 53
30-32 19 24 28 4,94 4,5 4,5 2,5 7 19-24 47 • 56
33-35 20 26 30 4,94 4,5 4,5 2,5 7 25-30 52 62
36-38 22 28 34 5,43 4,5 5,5 3,5 8-8,5 30-35 56 67
39—42 24 32 38 5,43 4,5 5,5 3,5 8-8,5 35-40 58 70
43-45 25 33 39 5,43 4,5 5,5 3,5 8-8,5 40-15 65 78
46-48 26 35 39 6,04 5 6 4 9-10 42-45 84 90
49-52 28 36 40 6,04 5,5 6,5 4,5 10-11 45-50 82 98
53-56 30 35 40 6,8 5,5 6,5 5 10-11 50-55 90 120
57-60 32 35 40 6,8 6,5 6,5 5 11,5 55-60 100 140
2.13. Режимы стыковой сварки оплавлением заготовок из быстрорежущих сталей
с заготовками из стали 45 (40Х) на мы инах МС-1202, МС-1602
D, мм Установочная длина, мм, заготовок из стали Потребляемая мощность, кВа Припуск на сварку, Усилие осадки, кН
на подогрев на оплавление общий
быстрорежущей 45(40Х)
Быстрорежущие стали Р18, Р12, Р9К5, Р9К10
8-10 10 15 7 1.0 2,1 5,4 2,54
10-12 10 15 10 1,1 2,3 5,7 3,8
13-16 10 15 15 1,2 2,4 6,0 6,0
17-20 12 18 25 1,3 2,5 6,4 9,8
21-25 16 24 35 1,4 2,7 6,8 14,7
26-32 19 28 50 1,5 3,0 7,4 22,8
33-40 24 - 36 60 1,7 3,3 8,2 35,6
Быстрорежущие стали Р6М5, Р6М5К6, Р9М4К8, Р10К5Ф5, Р18Ф2
8-10 10 15 9 1,6 1,6 5,8 3,18
10-12 10 15 12 1,7 1,7 6,0 4,75
13-16 10 15 17 1,8 1.8 6,4 7,5
17-20 12 18 30 1,9 1,9 6,8 11,8
21-25 16 24 40 2,1 2,1 7,3 18,4
26-32 19 28 60 2,2 2,2 7,8 28,5
33-40 24 26 70 2,4 2,4 8,6 34,5
2.14. Режимы сварки трением заготовок из быстрорежущей стали
с заготовками из стали 45 (40Х)
Сталь D, мм рн, МПа Рпр» МПа Тн, с Припуск на сварку, мм
заготовки из быстро- режущей стали общий
Р6М5 25 130-140 Частота вращен! и = 8,3 с-1 и л = 1 150-200 4Я 2,5 с"1 25-27 1,5-1,6 4,2-4,4
30 90-110 120-200 33-35 1,4-1,5 3,9-4,1
32 80-90 100-150 36-38 1,3-1,5 3,7-4
35 65-75 100-150 37-39 1,3-1,5 3,5-3,6
40 50-60 80-120 44-46 1-1,5 3,2-3,4
Р18иР9 25 130-140 300-400 18-19 1,3-1,4 4-5,4
27 100-120 180-250 19,5-21 1,2-1,3 4-5
32 80-100 150-200 22,5-24 1,1-1,3 3,3-4
35 75-85 150-200 24,5-26 1-1,2 3-3,7
40 60-70 150-180 31-35 0,8-1,1 2,8-3,5
Р14Ф4 25 180-185 350-400 18-19 1-1,2 3-3,5
30 150-155 300-320 18-20 1-1,2 3,1-3,2
32 120-135 250-270 23-24 0,9-1 3^3,1
35 85-95 200-210 26-28 0,9-1 3-3,1
40 68-72 150-160 30-31 0,8-1 2,8-3
Р9М4К8 . 25 160-165 300-350 19-20 1,3-1,4 3,7-3,9
28 130-135 250-300 22-24 1,3-1,35 3,7-3,8
30 110-120 200-250 24-25 1,2-1,6 3,5-3,6
35 80-90 160-200 29-30 1-1,1 3,2-3,3
40 60-70 100-150 32-33 1-1,1 3-3,1
Р18Ф2К8М 25 55 105 16-18 1,5 3,8
Р9К5иР9К10 25 170-175 350 18-19 1,3-1,35 3,7-3,75
28 130-140 280 21-22 1,2-1,25 3,5-3,55
30 100-105 250 23,5-24 1-1,2 3,3-3,4
35 80-90 200 28-29 1-1,2 2,8-3,2
40 65-67 150 30-31 1-1,1 2,8-3
Р9Ф5 25 165 340 15-16 1,5 4
28 135 270 19-20 1,8 4,3
32 100 210 23-24 1,8 4,3
35 85 180 25-26,5 1,8 4,3
40 65 140 30-31 1,8 4,3
Частота вращения л = 25 с-1
Р6М5 10 210-230 300-460 4,5-5,5 2,4-2,6 5-5,5
12 155-165 200-320 7-8 2,4-2,5 5-5,3
14 120-130 150-260 9-10 2,2-2,4 4,8-5
16 90-100 120-200 15-17 2,2-2,3 4,8-5
18 70-80 90-160 15,5-16,6 2-2,2 4,5-4,7
20 60-70 80-140 18,6-19,5 2-2,1 4,4-4,6
22 50-60 60-120 22-24 1,8-2 4—4,5
Р18иР9 10 170-200 300-400 5-7 2-2,7 4-5,5
15 100-150 200-300 9-11 2-2,5 4,5-5
16 100-110 150-200 10-12 1,8-2 4,3-4,5
18 75-80 120-150 13-14 1,6-1,8 3,8—4,5
20 60-65 100-150 15-17 1,5-1,6 3,8-4
21 55-60 100-150 18-19 1,4-1,5 3,8-4
22 55-60 80-130 19-21 1,4-1,5 3,4-3,6
Р14Ф4 10 300-320 620-650 1,5-2 1-1,5 3,5-4
12 220-240 450-500 3-4 1-1,35 3,5-3,8
14 180-185 320—350 6-6,5 1,2-1,3 3,6-3,7
16 140-150 250-300 8-9 1,2-1,3 3,5-3,7
18 110-130 200-250 10-10,5 1,1-1,2 3,4-3,5
20 90-105 150-170 13—14 1,1-1,2 3,3-3,5
22 80—85 130-150 15-16 1,1 -1,2 3,3-3,5
Р9М4К8 10 290-300 600-650 3,5—4,5 1,6-1,8 4,1-4,4
13 190-195 400-450 6-6 1,5—1,7 4-4,2
15 145-150 200-250 8,5-9,5 1,5-1,7 3,9-4
и> ы 16 130-135 200-240 10-10,5 1,5-1,6 3,9-4
Сталь D, мм рн, МПа
18 100-110
22 70-72
Р18Ф2К8М 10 195
12 165
14 135
15 125
16 115
18 100
20 85
22 75
Р9К5 ИР9К10 10 300-310
12 220-230
13 200-205
16 140-145
18 110-115
22 75-80
Р9Ф5 10 310
12 230
14 180
16 140
18 120
20 100
22 85
Продолжение табл. 2.14
Рпр, МПа тн>с Припуск на сварку, мм
заготовки из быстро- режущей стали общий
150-200 13-13,5 1,4-1,6 3,7-3,8
100—150 18-18,5 1,3-1,4 3,5-3,6
410 2,3-2,5 2,5 5,5
340 3-3,5 2,3 5,3
270 4-4,5 2,2 5,2
250 4,5-5,5 2 4,5
220 5,5—6 1,8 4,3
180 7,5-3 1,7 4,2
165 9-10 1,6 4,1
140 12-13 1,5 4
600 2,8-3,2 1,6-1,65 4-4,1
550 4,5-5 1,5-1,6 4-4,2
300 5,5—6 1,5-1,55 3,8-1
250 9-10 1,4-1,5 3,5-3,8
200 14-14,5 1,3-1,4 3,5-3,6
150 16,5-17 1,2-1,3 3,2-3,6
620 1-2 0,9 2,4
450 3,5-5,5 1,3 3,5
330 5,5—6 1,7 4
250 8-12 1,9 4,1
210 13-14 1,9 4,1
160 15-17 2 4,5
140 18-20 2 4,5
после очистки. Длина шейки зависит от отношения диаметров
свариваемых заготовок (табл. 2.11). При малой длине шейки проис-
ходит интенсивное охлаждение шва и возможно появление тре-
щин в зоне термического влияния (на расстоянии 4-5 мм от шва).
Требования к заготовкам под сварку трением. Заготовки
ролжны быть очищены от окалины и ржавчины. На торцах не до-
пускаются заусенцы, скос торцов не должен превышать значений,
указанных в табл. 2.5. Кривизна заготовки не более 1,25 мм на
250 мм ее длины, овальность торцов не более 0,6 допуска на диа-
метр.
Шейка на заготовке из конструкционной стали 2-3 мм (см.
рис. 2.1), возможна проточка шейки на конус.
Установочная длина заготовок. При стыковой сварке оплав-
лением минимальная установочная длина из зажимов сварочной
машины для заготовок из быстрорежущей стали составляет 0,5 D
(но не менее 10 мм), максимальная - 0,75£>; для заготовок из
конструкционной стали - 0,75.0 и 0,950 соответственно. При малой
установочной длине возникает опасность появления закалочных
трещин и прижога поверхностей, контактируемых с призмами; при
больших установочных длинах появляется кривизна заготовок.
При сварке трением установочная длина из осадочной матри-
цы для заготовок из конструкционной стали составляет 2-3 мм,
для заготовок из быстрорежущей стали 25-30 мм.
Режимы сварки. Рекомендуемые режимы стыковой сварки
оплавлением заготовок из быстрорежущих сталей с заготовками
из конструкционной стали 45 (40Х) приведены в табл. 2.12, 2.13;
сварки трением в табл. 2.14.
Термообработка заготовок после сварки. При охлаждении
заготовок после сварки быстрорежущая сталь получает структуру
мартенсита и остаточного аустенита, а углеродистая сталь - струк-
туру перлита, поэтому в месте соединения сталей с различной
структурой возникают остаточные напряжения. Для их устране-
ния необходим тепловой режим, который препятствовал бы обра-
зованию мартенсита в околошовной зоне. Таким режимом может
быть охлаждение заготовок после сварки в печи с температурой
400-650 °C (выше точки начала мартенситного превращения).
При выравнивании температуры заготовки до 400 °C дальней-
шее медленное охлаждение до комнатной температуры будет
вызывать мартенситное превращение равномерно по всему объе-
му, что не вызывает остаточных напряжений. Такое охлаждение
не обеспечивает снижение твердости в околошовной зоне, и после
охлаждения заготовок требуется изотермический отжиг с мед-
ленным нагревом.
Изотермический отжиг занимает свыше 20 ч по режиму: нагрев
До 860-880 °C, выдержка 4 ч и снижение температуры до 730 -
740 °C, выдержка 4 ч и медленное охлаждение до 400 °C, после
Лего заготовки могут быть охлаждены на воздухе. Необходимы
Меры предосторожности против обезуглероживания.
Во ВНИИинструменте разработан метод сокращенного изотер-
мического отжига сварных заготовок, основанный на использова-
нии нагрева заготовок при сварке. При этом сваренные заготовки
быстро помещают в печь с температурой 740-760 °C, при которой
происходит полный распад аустенита за 6-8 ч. Затем заготовки
охлаждаются вместе с печью со скоростью менее 50 °С/ч до
500-600 °C и затем на воздухе. Отжиг считается правильным, если
твердость по быстрорежущей стали у шва не превышает 240 НВ.
Дефекты при сварке. Основными внутренними дефектами при
контактной сварке оплавлением заготовок режущего инструмента
являются несплошности и дефекты структуры сварного шва.
К несплошностям в сварном соединении относятся поры,
окисленная контактная поверхность (рис. 2.12) быстрорежущей
стали, трещины. Поры, обычно диаметром до 3 мм, с блестящими,
гладкими стенками располагаются в сварном соединении без
какой-либо закономерности и представляют собой углубления на
контактной поверхности заготовок, не заполненные металлом при
осадке. Они возникают при разрушении жидких перемычек метал-
ла при процессе оплавления. Поры, вышедшие на поверхность
заготовки или механически обработанного инструмента, называют
свищами. Свищи являются концентраторами напряжений при
нагружении инструмента и снижают прочность соединения на
30-50 %.
Появление пор в соединении вызывается:
сваркой на повышенном напряжении вторичной обмотки
сварочного трансформатора (см. табл. 2.13);
сваркой на пониженном напряжении вторичной обмотки
сварочного трансформатора (см. табл. 2.13), но при малом припуске
на осадку;
недостаточным предварительным подогревом заготовок, когда
усилие осадки недостаточно, чтобы ввести в сплошной контакт
всю соединяемую поверхность.
Окисленная контактная поверхность (непровар) наблюдается
при неустойчивом процессе оплавления, прекращении его перед
началом осадки, выключении сварочного тока до начала осадки. В
этих случаях защитное действие паров, образующихся при взрывах
перемычек металла, прекращается, воздух проникает между
соединяемыми поверхностями и окисляет их. В изломе участки
окисленной поверхности гладкие, темного цвета. Они могут сос-
тавлять до 50-60 % площади соединяемой поверхности. Прочность
соединения в этом случае снижается на 50-60 %.
Трещины в сварном соединении можно разбить на три группы:
1) трещины расположены в быстрорежущей стали на расстоя-
нии 1-5 мм от сварного шва;
2) трещины расположены в быстрорежущей стали на расстоя-
нии 0,1-0,5 мм от сварного шва;
3) трещины в некоторых местах приближаются к сварному шву
на расстоянии 0,1-0,5 мм, а в других удаляются от него на 3-5 мм.
Трещины 1-й группы в сварном соединении черного цвета
имеют кольцевую форму шириной 1-5 мм (обычно чем больше
диаметр заготовки, тем больше ширина трещины) или часть коль-
ца в виде дуги различной протяженности.
Трещины вызываются неравномерным охлаждением сварен-
ных заготовок на воздухе или в сборнике, предварительно нагре-
том до 400 °C. Неравномерное охлаждение по длине и сечению
заготовки приводит к разным структурным превращениям после
сварки, которые инициируют возникновение трещин.
Образовавшиеся при охлаждении стержней после сварки
трещины светлые, поскольку температура, при которой они обра-
зуются, ниже 200 °C. Обычно трещины выявляются после отжига и
имеют темный цвет. Они возникают, когда охлажденные до
200-100 °C сваренные заготовки поступают в сборник или печь.
Трещины обычно перпендикулярны продольной оси заготовки.
Трещины 2-й группы образуются обычно при закалке механи-
чески обработанного инструмента при погружении в соляную
ванну сварного шва. Образуются трещины черного цвета, неболь-
шой глубины и протяженности. Такие трещины называют закалоч-
ными, они отличаются от сварочных формой. Если сварочные
трещины, как правило, перпендикулярны продольной оси заго-
товки, то закалочные трещины имеют выпуклую форму, направ-
ленную в сторону отвода тепла. Излом происходит по быстроре-
жущей стали вблизи шва.
Причиной образования закалочных трещин является насыще-
ние углеродом приконтактной зоны быстрорежущей стали за счет
диффузии его из конструкционной стали. Нагрев быстрорежущей
стали до температуры закалки с повышенным содержанием угле-
рода приводит к образованию в приконтактной зоне ледебуритной
эвтектики.
Трещины 3-й группы зарождаются при неправильном охлажде-
нии заготовок после сварки и развиваются при закалке инстру-
мента с погружением сварного шва в соляную ванну.
При перегреве излом быстрорежущей стали характеризуется
крупнозернистой рыхлой поверхностью, иногда темного цвета.
Перегрев наблюдается при большом числе и продолжительности
замыканий при предварительном подогреве, малой осадке, непра-
вильной регулировке концевого выключателя сварочного тока
(осадка почти вся происходит под током). Перегрев обычно проис-
ходит при сварке на пониженном (против установленного по
режиму) напряжении вторичной обмотки сварочного трансформа-
тора, когда требуется для возбуждения оплавления большая
длительность предварительного подогрева, или в случаях, когда
напряжение в сети, питающей сварочный трансформатор, пони-
женное.
Перегрев понижает прочность сварного соединения на 20-40 %.
Более склонны к перегреву быстрорежущие стали, легированные
кобальтом.
Закалочные трещины в местах соприкосновения заготовок с
контактными призмами образуются в результате плохой очистки
их от окалины или в случае малой площади сопроикосновения
заготовки с призмой.
При нарушении режима сварки трением заготовок инструмен-
та возможны следующие дефекты (табл. 2.15): несоосность, кри-
визна, внутренний и наружный кольцевой непровар в виде блестя-
щих колец, трещины со стороны быстрорежущей стали на расстоя-
нии 0,1-0,15 мм от шва, промежуточный слой - ферритная про-
слойка шириной более 0,2 мм, отклонения геометрических разме-
ров от заданных.
Удаление грата осуществляется: на машине для сварки тре-
нием МФ-362 (непосредственно после сварки), на установке СИ-102
на токарном станке, наждачным кругом или путем срезания с
помощью пуансона, перемещаемого вдоль оси сваренной заготов-
ки. На отдельном рабочем месте грат удаляют после отжига сва-
ренных заготовок. Удаление грата на сварочной установке являет-
2.15. Дефекты заготовок инструмента после сварки трением
Дефект Признаки дефектов Причины образования
бесплотность В изломе наблюдаются бле- стящие кольца, частично или полностью сформированные Понижение давления возду- ха, подведенного к машине для сварки трением, более чем на 15 %; окисленные тор- цы заготовок; малый вылет за- готовки из зажимной цанги или из осадочной матрицы вследствие отклонения длины заготовки от установ- ленной; смещение упоров
Промежуточный слой Волокна и строчечность кар- бидов в промежуточном слое и основном металле ориен- тированы перпендикулярно; Недостаточные время нагре- ва и усилие проковки; откло- нение от перпендикулярно- сти торцов заготовок из быст-
при травлении в 2 %-ном растворе азотной кислоты в спирте промежуточный слой окрашивается в белый цвет рорежущей стали выше допу- стимой
Трещины со стороны Окисленная поверхность по Длительное пребывание заго-
быстрорежущей стали периферии излома заготовки товок на воздухе после сварки; низкая температура накопителя, закалка с погру- жением сварного шва в рас- плавленную соль
Смещение торцов за- готовок более 0,5 мм, кривизна заготовок более 1 мм на 250 мм длины Смещение торцов Изношены зажимные цанги (кулачки цанг) установки; недостаточная жесткость уста- новки; отсутствие на упоре центрирующей втулки
Отклонение размеров заготовки от заданных То же Увеличенный вылет вращаю- щейся заготовки из зажим- ной цанги или невращаю- щейся из осадочной матри- цы
ся более рациональным, поскольку сварку и удаление грата вы-
полняет один человек.
Правка заготовок после отжига и удаления грата осугцеств-
ляеся на специальных станках СИ-102, СИ-049 или вручную на
прессе.
Контроль качества сварных соединений производится в сле-
дующей последовательности: предварительный контроль, конт-
роль качества соединений после отжига и удаления грата. Предва-
рительный контроль включает контроль конструкторской, техно-
логической и другой сопроводительной документации; подготов-
ку под сварку; подготовку инструмента и приспособлений к свар-
ке; настройку машины на режим сварки; подготовку сборника или
печи для отжига заготовки после сварки.
Перед сваркой партии заготовок проверяют качество очистки
поверхности, овальность, кривизну, размеры, твердость. Необходи-
мо провести пробную сварку двух-трех образцов. Заготовки после
сварки охлаждают на воздухе, а затем испытывают на ударный
изгиб. Если в шве отсутствуют непровары, машина настроена на
правильный режим. Если в изломе имеются непровары, режим
сварки следует откорректировать.
Контроль качества соединений после отжига и удаления грата
включает внешний осмотр и обмер заготовок; испытания на удар-
ный изгиб, растяжение, кручение, усталость и статический изгиб;
металлографические исследования.
Внешним осмотром и обмером сварных заготовок выявляют
смещение осей, кривизну, макротрещины, отклонение размеров.
Визуальный контроль осуществляется при хорошем освещении с
помощью таких вспомогательных устройств, как линза и лупа
3-10-кратного увеличения. Контролю подвергают 1-2 % заготовок
от партии. Отклонения от соосности и длины заготовок должны
быть в пределах допуска (табл. 2.16).
При испытаниях на ударный изгиб выявляют заготовки с
трещинами, непроварами, ледебуритной эвтектикой. Заготовка
ударяется концом короткой части об угол массивной металличе-
ской плиты. Удар производится 2 раза с поворотом после первого
удара на 180 °. Место удара находится на расстоянии 5-8 мм от шва
в сторону хвостовой части инструмента. Качество сварки считается
удовлетворительным, если при ударе средней силы не происходит
разрушения (удар не должен разрушать сварное соединение без
дефектов).
Существует также консольная схема ручной отбойки. При этом
проверяемая заготовка вставляется одним концом в отверстие
массивной стойки, диаметр которого на 1-2 мм больше диаметра
заготовки. Если заготовка в отверстие стойки помещается рабочей
частью, то шов смещается вглубь на 4-5 мм относительно верти-
кальной стойки, если хвостовой, то шов выступает на 5 мм. Удар
производится специальным бойком, масса которого зависит от
диаметра проверяемой заготовки. Исследования показали, что
при ручной отбойке надежно отсеиваются (разрушаются) заготов-
ки, имеющие прочность при растяжении менее 400 МПа.
2.16. Допускаемые отклонения от соосности и длины
сварных заготовок. Размеры в мм
D Отклонение от соосности Отклонение от длины
8-15 0,4 ±1
16-25 0,42 ±1
26-34 0,46 ±1,5
35-50 0,5 -1
При механических испытаниях сварных заготовок на растяже-
ние, кручение, усталость и статический изгиб качество соеди-
нений оценивают исходя из норм прочности. Так как при эксплуа-
тации инструмента реально нагружается сечение определенного
диаметра, диаметр испытываемого образца
do=dB-O,875D,
где dB - номинальный диаметр готового инструмента в месте
сварного шва; D - диаметр сварной заготовки.
При испытании на растяжение определяют
oB=P/F0;oHCT = PK/FK,
гдеов,оист- временное сопротивление и истинный предел проч-
ности сварного образца, МПа; Р - разрушающая нагрузка, Н; Fo -* на-
чальная площадь поперечного сечения образца, м2; Рк- нагрузка,
соответствующая моменту разрушения, Н; FK - минимальная
площадь сечения разрушенного образца, м2.
На рис. 2.13 представлены зависимости временного 2 и истин-
ного 1 пределов прочности сварных образцов от диаметра загото-
вок.
Норма прочности на растяжение, МПа, сварных соединений
заготовок инструмента может быть определена по формуле
о” = 50+55F-1'3.
Пределы прочности на кручение и на выносливость при изгибе
одинаковы для образцов, сваренных как трением, так и стыковой
сваркой оплавлением, и составляют при кручении 350 МПа, при
усталостных испытаниях 260 МПа.
Для испытания на статический изгиб изготовляют образцы,
проточенные по всей длине (/ = 4d0 + 20) до диаметра d0. Образец
размещают на двух опорах (расстояние между опорами l0 = 4d0) и в
центре образца прикладывают нагрузку. Сварной шов должен
быть расположен в середине
образца. После разрушения об-
разца измеряют длину разру-
шенных частей от излома до
центра отпечатка, образовав-
шегося под опорами. Мини-
мальное значение этой дли-
ны 1тп используется при вычи-
слении предела прочности на
Изгиб, МПа:
Рис. 2.13. Пределы прочности сварных
образцов заготовок инструмента
oBH = PmaxW(0.2d3o),
где Ртах - максимальная разрушающая нагрузка, Н.
Минимально допустимая прочность сварных образцов на изгиб
(норма прочности) может быть определена по формуле
о" = 330df/5.
Минимальное число образцов для испытаний на изгиб от
партии -20. Среднее значение прочности для выборки
1 "
°’и = 0о + -й-Х (о,-ос),
где о Q - условно принятое среднее значение прочности; 0! - еди-
ничное значение прочности; п - число испытаний.
Стандартное отклонение от среднего значения
£ (0|-0Q)2-n(0-0a)2.
i-i
Показатель качества сварного соединения В определяется по
формуле
он — а
в = 05_ф2л_°и_
S
где Ф - нормированная функция Лапласа. Если В > 0,95, то ка-
чество сварного соединения отличное; если 0,95>В<0,9, то хоро-
шее; если 0,9>В^0,68, то удовлетворительное; если В<0,68, то пло-
хое.
Металлографическими исследованиями определяют структу-
ру сварного шва и зоны термического влияния, наличие в шве про-
межуточного слоя и ледебуритной эвтектики. Образцы для иссле-
дования вырезают так, чтобы можно было изготовить шлифы в
плоскости, перпендикулярной сварному шву. Для этого сварную
заготовку обрезают до длины, равной диаметру. Затем вдоль
образца шлифуются две параллельные плоскости. С одной стороны
образец полируют и подвергают травлению 2 %-ным раствором азо-
тной кислоты в этиловом спирте. По макроструктуре выявляют
глубину и зону термического влияния (отжиг образца при этом не
производят), а также дефекты сварки (непровары, раковины и
трещины). На этом же образце измеряют твердость вдоль и попе-
рек сварного шва. Фотографирование макрошлифов производится
при 5 - 15-кратном увеличении.
Микроисследование производят с помощью микроскопа с
увеличением в 100 -500 раз. Микроанализу наиболее рационально
подвергать отожженные образцы. До травления микрошлиф
просматривают при 100 - 150-кратном увеличении для установле-
^ия микротрещин, мелких раковин и других дефектов сварного
шва, хорошо видных на чистом белом фоне.
Для выявления микроструктуры применяют раствор азотной
кислоты в спирте: 4 %-ный для быстрорежущей стали и 2 %-ный
рдя конструкционной стали. Техника травления микрошлифов
сварных соединений такая же, как для основного металла. Необ-
ходимо лишь последовательное травление конструкционной и
быстрорежущей частей образца. После травления микрошлиф
изучают под микроскопом при 100-кратном увеличении. При этом
обследуют всю зону термического влияния и границу соединения
двух сталей. Определяют наличие ледебурита в быстрорежущей
стали, промежуточного слоя, ширину ферритной полосы в конструк-
ционной стали и величину зерна. Затем изучают отдельные
структурные составляющие при 500-кратном увеличении, устана-
вливают особенности строения зерна, дисперсность перлита и
сорбита, особенности мартенсита, расположение структурных
составляющих.
По микроструктуре сварного соединения можно приблизитель-
но оценить механические свойства и возможные изменения этих
свойств в различных зонах сварного соединения, а также выявить
микротрещины, непровары, выделение карбидов. Измеряют твер-
дость по сечению шва и строят кривые твердости, что позволяет
уточнить характер структур и дает некоторую количественную
оценку механических свойств соединения.
В сварном шве не допускается грубой литой структуры, проме-
жуточного слоя, а в отожженных образцах - участки с твердостью
выше 25 HRC3. Для обеспечения высокой прочности соединения
ширина ферритной полосы не должна превышать 0,3 мм, а для
инструментов, работающих со значительными крутящими момен-
тами, - 0,05 мм. Ширина ферритной прослойки интенсивно возра-
стает с увеличением продолжительности отжига углеродистых
сталей 35, 45, 40Х, У8, У12; прослойка практически не образуется у
легированных сталей 35ХГСА, X12, 50ХФА и др. (табл. 2.17)
2.17. Ширина, ми, ферритной прослойки для заготовок из стали, сваренных с заго-
товками из быстрорежущей стали
Сталь Продолжительность отжига, ч
7,5 15 22,5 30
35, 45, 40Х 0,3 0,5 0,6 0,6
У8, У10, У12 0,2 0,3 0,5 0,6
35ХГСА, Х12 0,01 0,01 0,01 0,02
2.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАРКИ
Оборудование для стыковой сварки оплавлением. В массовом
и серийном производстве сварного режущего инструмента реко.
мендуется использовать высокопроизводительные специализиро.
ванные машины СИ-086А, СИ-111, СА-2 и модификацию машины
СД-2 для сварки протяжек (табл. 2.18).
На специализированных машинах заготовки устанавливают
вручную и фиксируют специальными регулируемыми упорами.
Затем нажатием соответствующей кнопки на пульте возбуждается
автоматический цикл в последовательности: зажим заготовок;
быстрый подвод стола до упора в заготовку; подогрев (до трех
замыканий в секунду); оплавление с постоянной (СА-2) или пере-
менной скоростью (СИ-111, СИ-086А); осадка с током, затем без
тока с последующей выдержкой; освобождение сваренной заготов-
ки; возвращение каретки в исходное положение.
Выбор параметров для перемещения каретки и скоростей,
требуемого времени, а также усилия зажима и осадки может
осуществляться в широком диапазоне. Аппаратура управления
позволяет точно устанавливать необходимые параметры режима
сварки. Имеющаяся на машинах система регулирования зажимов
позволяет центрировать заготовки в вертикальном и горизонталь-
ном направлениях.
Автоматические машины стыковой сварки оплавлением
позволяют надежно сваривать также заготовки прямоугольного
сечения, например резцы, сегменты к сегментным пилам.
Для сварки инструмента в мелкосерийном производстве при-
2.18. Машины для стыковой сварки
Параметр СА-2 СИ-111 СИ-086 А МС 1202 МС 1602 СИ-102
Номинальное напряжение в первичной обмотке, В 380 380 380 220/380 220/380 380
Номинальная мощность, кВт 150 150 75 55 100 40
Число ступеней регулирова- ния Максимальное усилие, кН: 16 16 16 8 8 —
осадки 140 145 35 30 50 —
сжатия 100 100 30 50 70 —
Диаметр свариваемых заго- товок, мм: 20-60 20-60 12 -32 8-40 15 -42 10 -65
Производительность, заго- товок/ч Размеры машины, мм: 70 70 90 100 60 45
длина 1525 — 1305 1000 1000 1000
ширина 1075 1295 1775 1775 775
высота 1585 —• 1715 1300 1300. 1300
Масса, кг 2100 1800 1500 720 750 2250
Параметр МФ 362 МСТ35
Номинальная мощ- ность, кВт Частота вращения, с-1 Осевое усилие, кН: 10 20
25 17
при нагреве 50 100
при проковке 50 100
Диаметр заготовки в месте сварки, мм Длина вращающейся заготовки, мм: 10-22 16-32
минимальная 32 50
максимальная 200 500
Длина неподвижной заготовки, мм 32 - 340 70 -340
МСТ 41 МСТ 0201 МСТ 2001-1 (ГД—88) МСТ 2001 (ГД-89) МСТ 6001 МСТ 12001
40 5,5 22 40 80 160
12,5 33,3 17 12,5 8,3 5
200 12,5 100 200 200 450
200 25,5 200 200 600 1200
22-40 8-16 16-36 16-40 32-70 45-90
60 50 70 70 100 150
980 500 900 900 1200 1500
>60 >75 >80 >80 >120 >300
Рис. 2. 14. Приспособление типа радиатор к машине МСТ-41:
1 ~ зажимная цанга, 2 — медный радиатор; 3 - винт; 4 — осадочная
матрица; 5 заготовка
меняют стыковые машины МС-1202 и МС-1602, имеющие ручные
приводы: эксцентриковый для зажатия заготовок и рычажный для
сварки. Свариваемые заготовки регулируются в горизонтальном и
вертикальном направлениях.
Для снятия грата и правки заготовок после сварки рекоменду-
ется использовать полуавтомат СИ-102.
Оборудование для сварки трением. Отечественной промыш-
ленностью изготовляются два вида машин для сварки трением:
общего назначения серии МС и специализированные серии МФ
для сварки заготовок инструмента (табл. 2.19). Наиболее целесо-
образно применять машины серии МФ. Машины серии МС требуют
специальной оснастки (рис. 2.14, 2.15) и менее производительны,
чем специализированные.
Машины этих серий обеспечивают полную автоматизацию
цикла сварки при ручной загрузке и выгрузке заготовок. Схема
Рис. 2.15. Приспособление типа самолетик к маши-
нам МСТ-23 и МСТ-35:
1 — осадочная матрица; 2 — державка; 3 — регулиро-
вочный винт; 4 - заготовка; 5 — стопорный винт
приложения усилия двухступенчатая, частота вращения заготов-
ил постоянная, машины снабжены регулируемыми упорами.
рЛаШины серии МФ имеют узел для снятия грата, усилия при
нагреве и осадке устанавливают по манометрам, время нагрева и
осадки - с помощью реле времени.
При настройке машин на режим сварки необходимо точно
выдерживать, заданные нагрузки.
Перед началом работы необходимо:
по диаметру заготовок подобрать кулачки для зажимной
цанги;
установить цанги;
установить упорами требуемые вылеты заготовок из быстроре-
жущей и конструкционной сталей;
установить по манометру необходимые давления воздуха в
камерах (цилиндрах) нагрева и проковки;
по реле времени установить длительность нагрева и проковки;
сварить 3-4 заготовки.
Когда заготовки охладятся, их нужно сломать по сварному шву
на прессе. В изломе не должно быть блестящих колец, частично
или полностью сформированных. Если в шве они наблюдаются, то
следует откорректировать режим. Блестящие кольца по наружно-
му диаметру, размер которых превышает припуск на механичес-
кую обработку, не допускаются. Перед началом работы необходи-
мо проверить надежность соединения пневмогидравлической
системы. При обнаружении утечки воздуха или масла необходи-
мо смазать подвижные части машины и выпустить воду из ресси-
вера.
ГЛАВА 3. ПАЯНЫЙ ИНСТРУМЕНТ
3.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
В паяном инструменте сочетаются разнородные по свойствам
материалы, к каждому из которых предъявляются свои специфи-
ческие требования. К рабочей части из инструментального материа-
ла предъявляются требования высокой износостойкости режущей
кромки в условиях разнообразных силовых, тепловых и цикличе-
ских нагрузок. Корпус инструмента должен обладать высокой
прочностью для передачи усилия от привода станка к режущей
кромке, паяный шов - обеспечивать прочное соединение рабочей
части с корпусом при сохранении их целостности и служебных
свойств при эксплуатации.
Процесс проектирования обычно включает следующие стадии:
выбор или разработка конструкции инструмента;
выбор основных материалов;
выбор припоя;
разработка конструкции паяного соединения;
расчет паяного соединения на прочность.
Наибольшее применение для паяных инструментов имеют
твердые сплавы и быстрорежущие стали. Другие группы инстру-
ментальных материалов значительно меньше используются в
производстве паяного инструмента, однако их доля в последнее
время увеличивается.
Основные требования к конструкции лезвийного паяного
инструмента, оснащенного пластинами из твердого сплава, сле-
дующие:
1) с целью обеспечения необходимой при эксплуатации проч-
ности инструмента его корпус должен быть изготовлен из ста-
ли с ов>700 МПа;
2) для обеспечения жесткости режущей части инструмента
отношение толщины стального корпуса Лст к толщине твердосплав-
ной пластины hn должно удовлетворять условию:
т =
что соответствует обратной величине отношения модулей упругости
стали и твердого сплава (рис. 3.1); при гк« за счет изгиба корпуса на
рис. 3.1. Конструкция паяного инстру-
мента при оптимальном соотношении
т0дпхин пластины твердого сплава и
стального корпуса
передней поверхности твердого g
сплава возникают растяги- <
вающие напряжения, которые,
складываясь с напряжениями
от силы резания (Рг), могут 2
превысить предел прочности
твердого сплава на растяжение
(-600 МПа);
3) пазы корпуса должны соответствовать форме и размерам
пластины. Края пластины не должны выступать из пазов более
чем на 0,8 мм. Необходимо избегать лишних паяных швов, особен-
но по боковым поверхностям, следует по возможности устранять
технологические стенки.
Наилучшим вариантом является пайка твердосплавной пла-
стины по одной опорной плоскости в паз корпуса инструмента.
Рекомендуемая глубина паза (рис. 3.1):
h = hn при Ьп<4мм;
h = 0,5hn при 4<hn<7 мм;
h = 0,4hn при Ьп>7 мм.
На опорных поверхностях не допускается уступов, завалов и
заусенцев. Отклонение от плоскостности поверхностей пазов под
опорные поверхности режущих пластин ±0,05 мм. Параметр шеро-
ховатости поверхности паза Rz - 40-20 мкм.
Для хорошего прилегания твердосплавной пластинки к опор-
ной поверхности паза корпуса у большинства типоразмеров пла-
стин предусмотрена фаска. Твердосплавная пластина может
иметь больший наклон, чем необходимо для переднего угла. Это
облегчает переточку резца, поскольку только вершина фаски на
передней грани нуждается в переточке, и тем самым сохраняется
Рис. 3.2. Рабочая часть токарного резца с наклонной
пластиной (у — передний угол, а — угол наклона пласти-
ны)
эффективная толщина пластины (рис. 3.2). У фрез с прямым распо-
ложением пластин (рис. 3.3, а) перетачивается вся передняя часть
зуба. С уменьшением толщины пластины при переточке происхо-
дит ее поломка. Число переточек ограничено. У фрез фирмы
„Сандвик коромант” (Швеция) типа 226 и 227 с наклонным распо-
ложением пластин (рис. 3.3, б) при каждой переточке стачивается
только незначительное количество сплава и производится огра-
ниченное снятие фаски вдоль режущей кромки. Твердосплавная
пластина сохраняет вполне надежную толщину в течение всего
срока эксплуатации фрезы.
Особенности имеют конструкции паяных соединений с рабо-
чей частью инструмента из твердого сплава со стальным хвостови-
ком. Применяют четыре типа соединений: конусное, клиновое,
ступенчатое и встык. Для обеспечения соосности рабочей твердо-
сплавной части часто применяют конусное соединение, имеющее
увеличенную площадь паяного шва. При а = 60° прочность соеди-
нения равна проч юсти твердого сплава (рис. 3.4, а). Клиновое
соединение твердосплавных коронок с трубчатыми корпусами
сверл глубокого сверления при а = 90° также обеспечивает равно-
прочность инструмента. Ступенчатые соединения (рис. 3.4, в, г) ме-
нее технологичны, чем конусные и клиновые, и обеспечивают
меньшую точность сборки. Стыковые соединения (рис. 3.4, б) при-
меняют редко.
Основные требования к паяному инструменту с элементами из
быстрорежущей стали. При изготовлении паяного быстрорежущего
инструмента с применением припоев типа ПЖ60НХБ (пайка проис-
ходит одновременно с закалкой) прочное паяное соединение обра-
зуется независимо от химического состава быстрорежущих и
конструкционных сталей.
При „пайке - закалке” инструмента важное значение имеет
температура закалки быстрорежущей стали (табл. 3.1), так как
формирование соединения происходит при этой температуре.
Для быстрорежущего многолезвийного инструмента предпоч-
тительнее конструкции, которые приведены на эск. 4, 5 (см.
табл. 3.2), позволяющие производить сборку с натягом, для быстро-
режущих резцов разных видов предпочтительнее конструкция
типа II. Эти конструкции проще в изготовлении, чем такие же
Рис. 3.3. Схемы располо-
жения твердосплавных
пластин в паяных конст-
рукциях обычных фрез и
фрез ,^сромант”226 и 227
Рис. 3.4. Типы соединений концевого
твердосплавного инструмента
3.1. Температура закалки t3 быстрорежущих сталей
Марка материала Марка материала t/C
Р18 1265-1290 Р9М4К8 1215-1235
Р12 1240-1260 Р12МЗФ2К8 1230-1250
Р9 1220-1240 Р12Ф4К5 1240-1260
Р6М5 ] 200-1230 РЗМЗФ4К5 1190-1220
Р6М5ФЗ 1200-1230 Р2М5 1140-1170
11РЗАМЗФ2 1170-1200 8МЗФЗС 1160-1200
Р12ФЗ 1240-1260 Р6М5ФЗ-МП 1190-1210
Р9К5 1210-1235 Р6М5К5-МП 1190-1210
Р6М5К5 1200-1230 Р12МЗК8Ф2-МП 1210-1230
конструкции твердосплавного инструмента. Для концевого быстро-
режущего инструмента могут быть использованы конструкции с
центрирующими штырями, технологическими хвостовиками, с
клиновыми и коническими поверхностями.
Типовые конструкции пазов и пластин для дисковых фрез и
плоских протяжек приведены на рис. 3.5 и 3.6. Типы паяных сты-
ковых соединений концевого инструмента приведены на рис. 3.7.
Методы вакуумной металлизации и пайки заготовок СТМ,
например эльбора-Р (композит 01), гексанита-Р (композит 10) и
материалов на основе нитрида кремния с использованием адге-
зионно-активных припоев, позволяют расширить типаж инстру-
мента, особенно мелкоразмерного, включая цельные расточные
резцы для расточки сквозных и глухих отверстий диаметром
6-20 мм, повысить надежность крепления режущей части инстру-
мента при работе на повышенных режимах и увеличить общий
ресурс инструмента за счет большего числа переточек.
Конструкции паяных соединений композитов и керамики со
стальными корпусами инструментов практически не отличаются
от тех, которые используют для твердосплавного инструмента.
Оптимизация конструкций паяных соединений для снижения
деформаций и напряжений в соединении и режущих элементах.
Одной из основных причин, вызывающих поломки инструментов
из твердых сплавов, СТМ и керамики при изготовлении и эксплу-
атации, является возникновение остаточных растягивающих
напряжений на передней поверхности режущего элемента вслед-
Рис. 3.5. Конструкции пазов
ПоД пластину из быстроре-
жущих сталей на паяных
Дисковых фрезах и плоских
пРотяжках
Рис. 3.6. Пластины из быстрорежусдей стали для паяных дисковых
фрез и плоских протяжек
ствие различия изменения линейных размеров соединяемых
материалов при охлаждении после пайки (рис. 3.8).
Уровень остаточных напряжений увеличивается при возраста-
нии числа соединяемых поверхностей режущих элементов, увели-
чении площади паяных соединений и уменьшении толщины
паяных швов и их пластичности, а также при наличии внутренних
дефектов в режущих элементах,
Рис. 3.7. Типы паяных стыковых
соединений концевого инстру-
мента:
1 — быстрорежущая сталь, 2 —
конструкционная сталь
низкой прочности и твердости
корпуса.
Для предотвращения .концен-
трации остаточных напряжений в
инструментальном материале не-
обходимо уже на стадии проекти-
Tetinepainypa°c
Рис. 3.8. Кривые деформации при охлажде-
нии образцов из твердого сплава ВК15 (1);
из стали 45 (2) и стали 45НМФА (3)
3.2. Типы паяных соединений лезвийного инструмента
Тип соединения
Применение
Резцы и ножи к фрезам, оснащенные пласти-
нами из твердого сплава, композита и кера-
мики
Резцы с пластинами из быстрорежущей стали
Фрезы, оснащенные пластинами из быстроре-
жущей стали, и др.
Насадные, концевые и дисковые фрезы и дру-
гой лезвийный инструмент, оснащенный пла-
стинами из быстрорежущей стя ни
Концевые, дисковые и насадные фрезы и
другой лезвийный инструмент, оснащенный
пластинами из твердого сплава
Дисковые пилы и фрезы, оснащенные твер-
дым сплавом и композитом
рования паяных соединений предусматривать заданную толщину
швов, уменьшение числа и площади контактных поверхностей
режущих элементов с корпусом, применять припои, обеспечива-
ющие образование швов оптимальной пластичности и выбирать
материал корпуса с заданными свойствами.
Типовые конструкции паяных соединений лезвийного инстру,
мента приведены в табл. 3.2, осевого инструмента - на рис. 3.4 ц
3.7.
Влияние дефектов инструментальных материалов на качество
паяного инструмента. Дефекты инструментальных материалов,
обусловленные технологией их производства, обнаруживаются в
готовом инструменте при его эксплуатации, но иногда проявляют-
ся при нагреве под пайку в виде трещин на режущих пластинках.
Дефектами твердых сплавов являются несплошности, пори-
стость, трещины и неоднородности в структуре материала (включе-
ния графита, участки обезуглероживания, карбидная неоднород-
ность, участки карбида кольцевой формы, участки скопления
кобальтовой фазы). Поры диаметром более 50 мкм, а также повы-
шенная пористость при скоплении пор размером до 50 мкм сущест-
венно ухудшают эксплуатационные свойства режущего инстру-
мента, снижают прочность твердого сплава, а также способствуют
появлению трещин при изготовлении инструмента.
Трещины в твердых сплавах в состоянии поставки встречаются
реже. Обычно это расслоения, возникающие при прессовании
порошковых смесей. При спекании эти расслоения не всегда
заполняются расплавленной связкой, а в процессе охлаждения
под действием напряжений может происходить их раскрытие.
Размеры и ориентация трещин и расслоений могут быть произволь-
ными и колебаться в широких пределах.
Графитные включения образуются при спекании твердых спла-
вов. Их отрицательное влияние выражается в снижении прочности
изделий и несмачиваемости их поверхности припоем при пайке.
При обезуглероживании в сплаве уменьшается количество
металлического кобальта, который расходуется на образование
соединений двойного карбида, что повышает хрупкость и снижает
механическую прочность инструментального материала.
Участки скопления кобальтовой фазы являются признаком
неравномерности распределения цементирующей связки по
объему изделия. В этом случае толщина прослоек кобальтовой
фазы в центре и на периферии сечения изделий различна. Дефек-
ты структуры цементирующей связки выявляют по различной ее
травимости. Эти дефекты снижают механическое и эксплуата-
ционные свойства твердых сплавов, поэтому целесообразно прово-
дить входной контроль твердосплавных пластин перед пайкой на
соответствие их требованиями действующих стандартов.
На смачиваемость твердых сплавов и их паяемость влияют
дефектные поверхностные слои, которые имеют разнообразный
состав, зависящий от технологии изготовления смеси шихты и
условий спекания элементов. По смачиваемости припоями, так
же как и по другим характеристикам, твердые сплавы занимают
промежуточное положение между быстрорежущими - сталями и
сверхтвердыми материалами. Смачиваемость твердых сплавов при
пайке на воздухе или в нейтральных средах зависит от количества
связующей фазы (обычно кобальта) и с увеличением его процент-
ного содержания в сплаве повышается. Смачиваемость также
зависит от наличия в сплаве трудносмачиваемых карбидов тита-
на, с увеличением их содержания она понижается.
При пайке инструмента сталкиваются с несмачиваемостью
даже высококобальтовых твердых сплавов марок ВК11 и ВК15 (на-
пример, при производстве дисковых пил, сверл по бетону и камню
и т. д.). Установлено, что причиной этого служат дефектные по-
верхностные слои. Найдена зависимость смачиваемости припоями
твердых сплавов от цвета их поверхности. Так, твердые сплавы
ВК8, ВК11 и ВК15 с темно-серой поверхностью не смачиваются или
смачиваются плохо, а сплавы со светлой поверхностью имеют
хорошую и отличную смачиваемость. Рентгено-структурный ана-
лиз показал, что участки поверхности сплавов темного цвета
состоят в основном из карбидов вольфрама и углерода, а светлые
участки в основном содержат кобальт. Установлено, что эти спла-
вы, имеющие на поверхности несмачиваемый слой карбидов и
углерода, спекались в водородных печах в графитовых лодочках с
графитовой засыпкой, что привело к науглероживанию и образо-
ванию сплошного карбидного поверхностного слоя.
Твердые сплавы могут насыщаться алюминием при спекании в
водороде с засыпкой окисью алюминия (коррексом).
Считают, что алюминий частично восстанавливается из окси-
да алюминия при высокой температуре в восстановительной
атмосфере, а затем в результате диффузии в паровой фазе прони-
кает в поверхностные слои твердосплавных пластин, где растворя-
ется в кобальтовой связке. При охлаждении твердого сплава на
выходе из печи равновесие реакции нарушается, и на поверхно-
стях пластин образуется корка из оксидов алюминия, препятст-
вующая смачиванию припоем паяемой поверхности.
Для очистки режущих пластин применяют различные методы.
Однако содержание алюминия в связке может быть так велико,
что при нагреве под пайку возникает новый слой оксидов.
Ппи сравнении смачиваемости медью твердых сплавов, содер-
жащих 94. % карбидов вольфрама и 6 % кобальта, установлено, что
сплавы, спеченные в водороде, смачиваются хуже, чем сплавы,
спеченные в вакууме, а поверхностная пленка медной капли на
сплаве, спеченном в водороде, содержит титан, алюминий и воль-
фрам.
Смачивание припоями поверхностей твердых сплавов облег-
чается, если применяют флюсы, содержащие фториды щелочных
Металлов и другие соединения, способствующие разрушению
оксидов алюминия, растворению карбидов, связыванию углерода
ит. д.
Дефекты типа несплошностей особую опасность представляют
при электроконтактной и индукционной пайке, так как при на-
Реве пластин приводят к образованию сквозных трещин.
Рис. 3.9. Зависимость коэффициент*
масштабного фактора от площади п*янц»
соединений твердого сплава со сталыо
Поверхностные карбиды и
слои оксидов затрудняют сма-
чивание пластин твердых спла-
вов в регламентированных усло-
виях пайки, что вызывает
необходимость их очистки перед
пайкой, применения специали-
зированных припоев и флюсов,
выбора оптимальных способов
пайки. Припои для пайки
твердосплавного инструмента
должны содержать компоненты,
взаимодействующие с элемента-
ми поверхностных пленок режу-
щих пластин.
Влияние масштабного фактора на прочность паяных соедине-
ний. Масштабный фактор влияет на прочность паяных соединений
тем больше, чем резче разница в физико-механических свойствах
основньлилатериалов.
Для оценки работоспособности инструмента при изменении
его конструкции или технологии изготовления, включая замену
припоя, следует учитывать масштабный фактор паяного соедине-
ния. Коэффициент масштабного фактора KF (рис. 3.9) представля-
ет собой отношение прочности на срез паяного соединения проек-
тируемого инструмента к прочности на срез паяного соединения с
базовой площадью паяного шва. При этом технология выполнения
пайки одинакова.
Марки сталей для изготовления корпуса инструмента. Твердо-
сплавный инструмент может быть разделен на три группы в зави-
симости от требований к механическим свойствам корпусов:
1 - нет особых требований;
2 - высокая твердость корпуса (HRC9 >30-45);
3 - высокая ударная вязкость (КО78 -10* Дж/м2) и твердость
(30-40 HRC,).
Заданные физико-механические свойства корпуса обеспечи-
вают выбором марки стали, технологии пайки и термической
обработки (табл. 3.3-3.5).
Для повышения физико-механических свойств корпуса инст-
румента и снижения остаточных напряжений можно использовать
теплоту, получаемую при пайке. При этом в качестве закалочных
сред используют подогретую до 40-80 °C воду (для сталей 40 X и 45),
масло, селитру или щелочь, нагретые до 200-400 °C (для стали
33. Физико-механические свойств* сталей, используемых для изготовления корпус* инструмент*
Сталь «т 0, Относи- тельное удлине- ние Относи- тельное суже- ние КС, , МДж/м2 Модуль упругости, ГПа Коэффици- ент линей- ного рас- шире- ния «•10е, •с-*’ Удельное электри- ческое сопроти»- леиие, мкОм/см Плотность, гсм“^
м Па *
45 320 600 16 30 0,35 204 13,09 15,1 7,85
60 410 690 12 35 0,30 208 13,5 17,2 7,8
40Х 350 670 14 35 0,35 218 12,8 15,2 7,85
40ХФА 500 750 12 40 0,40 207 12,0 15,1 7,81
35ХГСА 1300* 1650* 9* 40* 0,40* 210 12,0 7,85
9ХС 400 700 — — 0,08** 220 — — 7,83
У7 390 630 21 Зв 0,38 225 - - 7,83
^Твердость 40-50 HRC,.
Твердость 62-65 HRC,.
Примечание. Данные приведены для сталей в закаленном и отпущенном состоянии.
3.4. Материалы, используемые для корпусов паяного
твердосплавного инструмента
Инструмент
Резцы к сборным фрезам
Отрезные резцы
Сверла, зенкеры, развертки
Фрезы
Дисковые пилы для обработки
древесных материалов
Сталь
35ХГСА; 45; 40Х
35ХГСА; 40Х
35ХГСА; 9ХС
35ХГСА
50ХФА; 9ХФ
ЗА. Свойства сталей после термообработки
Сталь Термообработка °т °Е НВ HRCg КС, МДж/м^
м Па
45 Закалка 830—850 ‘С, охлаж- дение в воде, отпуск 500-550 °C 569 834 241-285 — 0,39
50 Закалка 820—840 “С, охлаж- дение в воде, отпуск 560-600 °C 520 687 229-255 — 0,49
40Х Закалка 860 “С, охлаждение в масле, отпуск 500 ’С, ох- лаждение в воде или масле 785 981 217-269 — 0,59
35ХГСА Изотермическая закалка 880 *С, охлаждение в смеси калиевой и натриевой се- литры с температурой 280—310 °C, дальнейшее ох- лаждение на воздухе 1300 1619 45-50 0,68
У7 Закалка 800—830 *С, отпуск 300-350 ’С 1197 1393 — 48-51 0,37
У8 Закалка 750—800 °C, отпуск 350 °C 598 775 — 22-23 0,37
9ХС). Подкалка (местная закалка) корпуса инструмента из сталей
типа 35ХГСА производится на воздухе. Твердость корпуса зависит
от размеров заготовок и температуры среды.
3.2. ОСНОВЫ ПАЙКИ ИНСТРУМЕНТА
Формирование паяного соединения твердого сплава со сталью
может быть предоставлено тремя стадиями:
1) образование физического контакта жидкого припоя с твер-
дым сплавом или сталью;
2) контактное взаимодействие жидкого припоя с твердым
сплавом и сталью, переходящее в объемное;
3) кристаллизация жидкой фазы, полученной в результате
объемного взаимодействия припоя с паяемыми материалами, и
образование паяного шва с диффузионными зонами в паяемых
материалах.
Первая стадия - сложный физико-химический процесс, вклю-
чающий удаление с поверхностных слоев оксидов, а также кар-
бидных и нитридных соединений с поверхностей твердого сплава,
смачивание и растекание, заполнение припоем паяльных зазоров.
Последующие стадии относятся к металлургическим процес-
сам, в основе которых находятся: образование жидкой фазы (рас-
плав припоя), взаимодействие ее с соединяемыми материалами в
твердом состоянии и кристаллизация жидкой фазы, содержащей
продукты взаимодействия припоя с основными материалами.
Пайка твердого сплава по характеру его взаимодействия с
припоем очень близка к процессам порошковой металлургии.
Основа этих процессов - взаимодействие твердой и жидкой фаз.
При пайке нет четкого разграничения первой и последующих
стадий во времени, контактное взаимодействие жидкой и твердой
фаз наступает при смачивании жидкой фазой части поверхности
при растекании, а с нагревом поверхностей начинается их актива-
ция. При нагреве поверхностей и образовании жидкой фазы
действуют механизмы, препятствующие появлению новых ок-
сидов.
Упрощая, можно принять, что первая стадия характеризуется
нагревом до температуры ij (выше температуры плавления при-
поя, но ниже температуры плавления соединяемых материалов)
за время Тр Эта стадия определяет состояние соединяемых по-
верхностей. Основные технологические факторы в первой стадии
tb Т1> скорость нагрева Vi, газовые и жидкие среды, действующие
на поверхности и удаляющие оксиды.
Вторая стадия начинается после достижения физического
контакта припоя с основными материалами и характеризуется
началом их контактного взаимодействия. Основными факторами,
определяющими это взаимодействие, являются температура
пайки tn, строение и потенциалы ионизации атомов соединяемых
материалов. Расплав припоя и основные материалы в начальной
стадии взаимодействия имеют химический и фазовый составы,
близкие к исходным. Если нагрев соединения остановить в период
образования химических связей за счет контактно-реакционных
процессов, то образуется бездиффузионное соединение: например,
при пайке неметаллических инструментальных материалов со
сталью, не имеющих взаимной растворимости с компонентами
припоя. Вводя от источника нагрева теплоту, компенсирующую
тепловые потери в окружающую среду - теплоотвод в основные
материалы, и поддерживая температуру пайки tn в течение вре-
мени т2» получаем активацию процессов растворения поверхност-
ных слоев соединяемых материалов припоем и диффузионное
Взаимодействие. Контактно-реакционные и растворно-диффу-
зионные процессы происходят совместно или последовательно.
Длительность второй стадии т 2 должна быть достаточной для
прохождения растворно-диффузионных процессов, однако ограни-
ченной, чтобы в результате этих процессов не образовались хруп-
кие фазы, которые снижают прочность соединения.
При пайке твердого сплава технологические условия обеспе-
чивают растворно-диффузионные процессы, а сама пайка по при-
нятой классификации является растворно-диффузионной.
Заключительная, третья, стадия длительностью т3 начинается
при прекращении поступления теплоты в зону паяного соедине-
ния. При этом температура его снижается вначале до температуры
кристаллизации жидкой фазы, а в дальнейшем до температуры,
принятой по технологии.
Скорость охлаждения паяного соединения высокая, поэтому в
закристаллизовавшейся жидкой фазе образуются метастабиль-
ные структуры. Если температура пайки tn выше точки Ас3 для
паяемой стали, то в ней при охлаждении происходят аллотропиче-
ские превращения. При этом, управляя скоростью охлаждения,
можно получить сталь со структурой и механическими свойст-
вами, благоприятными для эксплуатации паяного режущего
инструмента.
При соединении твердого сплава со сталью взаимодействие
стали и припоя определяется взаимной растворимостью железа и
основы припоя. Взаимодействие припоя и твердого сплава более
сложное, поскольку последний представляет собой систему из
карбидной фазы и металлической связки, обычно кобальта.
При разработке технологии пайки твердых сплавов со сталью и
создании специализированных припоев основное внимание было
обращено на взаимодействие припоев и твердых сплавов. В зави-
симости от элементов, образующих карбидную фазу, различают:
вольфрамо-кобальтовые твердые сплавы, основа - монокарбид
вольфрама (система WC-Co); вольфрамо-титано-кобальтовые
твердые сплавы, основа - монокарбид вольфрама и твердый раст-
вор монокарбида вольфрама в карбиде титана (система WC-(TiC-
WC)L-Co), а также при малом содержании WC - основа - только
твердый раствор монокарбида вольфрама в карбиде титана (систе-
ма (TiC-WC)-Co), вольфрамо-титано-таланталовые-кобальтовые
твердые сплавы (система WC-(TiC-TaC-WC)-Co), безвольфрамо-
вые твердые сплавы (система TiC-Ni-Mo, TiNC-Ni-Mo). Наи-
большее применение из перечисленных групп твердых спла-
вов имеют вольфрамо-кобальтовые и вольфрамо-титано-кобальто-
вые твердые сплавы, например сплавы ВК6, ВК8, Т5К10, Т15К5.
Процессы взаимодействия припоев с карбидной фазой при
пайке и связующей фазы с карбидной фазой при спекании твер-
дых сплавов аналогичны. Для системы WC-Co характерна полная
смачиваемость кобальтом монокарбида вольфрама и ограничен
ная смачиваемость твердого раствора TiC-WC.
При спекании твердых сплавов кобальт частично растворяет
карбиды. Растворимость WCb Со при температуре плавления
эвтектики (~1340 °C) составляет 10 % по массе, при 1000 °C - 4 %, при
медленном охлаждении - 0,7-1,0 %, при быстром - 2 %. Раствори-
мость твердого раствора TiC-WC (отношение масс TiC/WC = 1/3) в
Со незначительна и составляет 5 % для карбида с некоторым
дефицитом углерода, и снижается до 0,2 % при появлении в спла-
ве свободного углерода.
Для сплавов TiC-WC-TaC-Co и TiC-WC-Co растворимость
TiC в Со составляет 1 % по массе, с увеличением содержания
углерода она снижается до 0,2 %. Механические свойства твердых
сплавов зависят от содержания кобальта и размера зерен карби-
дов. Содержание кобальта и размеры зерен карбидов определяют
толщину кобальтовой прослойки. Если она имеет малые разме-
ры (0,1- 0,3 мкм), то в результате взаимодействия карбидной фазы
с кобальтом образуется твердый раствор WC-Co повышенной
хрупкости. С увеличением толщины прослойки образуются твер-
дый раствор и чистый кобальт, что снижает влияние хрупкой
фазы. Дальнейшее увеличение размеров связки приводит к пони-
жению прочности и твердости твердого сплава. При спекании
образуется карбидный каркас. Связка карбидных зерен заканчи-
вается при температуре спекания (1400-1500 °C), когда кобальт
находится в жидком состоянии и в нем образуется раствор карбид-
ной фазы с содержанием (для системы WC-Co) 38 % WC. Проч-
ность на изгиб карбидного каркаса сплава ВК6 составляет 300-350
МПа, а твердого сплава - не менее 1450 МПа.
Приведенные данные показывают взаимодействие твердой и
жидкой фаз при спекании твердых сплавов, позволяют установить
характер взаимодействия твердого сплава с припоем при пайке и
определить рациональные технологические режимы пайки, не
влияющие отрицательно на свойства твердого сплава, а также
создавать специализированные припои для пайки.
Смачиваемость припоем твердого сплава. Фазовый состав
твердых сплавов приведен в табл. 3.6.
Сплавы системы Со-Си характеризуются взаимной раство-
римостью и полной смачиваемостью, сплавы системы WC-Cu
3.6. Фазовый состав твердых сплавов
Марка твердого сплава Содержание, %
WC TiC Со
ВК4 96/93 — 4,7
ВК6 94/90 — 6/10
ВК8 92/86,5 — 8/13,5
Т5К10 85/70-65 5/15-20 10/14
Т14К8 78/35-30 14/54-58 8/10,5
Т15К6 79/35-30 15/55-60 6/8
Т39К4 68/5-1 28/90-95 4/4,3
Примечание. В числителе указано массовое содержание, в знаменателе —
°6'ьемное.
имеют ограниченную смачиваемость и растворимость, а сплавы
системы TiC-WC-Cu не смачиваются и не растворяются. Значения
краевого угла смачивания твердых сплавов припоем системы
Cu-Ni-Mn, определенные методом лежащей капли в среде гелия
при температуре 1360-1380 °C с выдержкой 10-15 мин, приведены
ниже:
Сплав.... ВКЗ ВК8 ВК25 Т5К10 Т15К6 Т30К4
Угол..... ООО 8°50' 17°30’ 27°10'
При испытаниях в данных условиях смачиваемость определя-
ется содержанием кобальта и фазы TiC-WC.
Микрорентгеноспектральным анализом установлено, что толь-
ко кобальтовая фаза твердого сплава, припой на медной основе и
компоненты стали корпуса инструмента вступают в контактное
взаимодействие при пайке. Способ пайки и состав припоя опреде-
ляют температуру и длительность процесса. Интенсивность раст-
ворно-диффузионных процессов зависит также от величины сбо-
рочного зазора.
Исследовались образцы, полученные при пайке в печах с
различными средами (водород, диссоциированный аммиак, сухой
и влажный эндогаз, вакуум, температура пайки 910-1130 °C, вы-
держка в рабочей зоне печи 8-30 мин). В качестве припоя исполь-
зовали медь, сплавы систем Cu-Sn, Cu-Sn-Zn, Cu-Sn-Ni и др., для
режущих элементов - твердый сплав марок ВК6 и Т5К10, а для
корпуса инструмента - сталь 45, 40Х, 12Х18Н9Т. Припой применя-
ли в виде порошка, пасты на органических связках, фольги и
проволоки.
При микрозондировании было изучено распределение элемен-
тов на границах основных материалов и в шве. Установлено, что
образование паяного соединения со сталью происходит за счет
частичного растворения компонентов основного материала со
сталью припоями на основе меди, а химический состав паяного
шва не совпадает с исходным составом припоев. Длительная
выдержка при температуре пайки (более 1050 °C) способствует
интенсивному выносу кобальтовой связки из твердого сплава на
глубине 20-100 мкм, что приводит к пористости в околошовной
зоне твердого сплава, а прочность соединения имеет тенденцию к
снижению до прочности карбидного каркаса твердого сплава.
Установлено также, что интенсивность растворения основных
материалов зависит от сборочного зазора и увеличивается при его
уменьшении. На рис. 3.10, а показано распределение элементов в
поперечном сечении паяного шва стали 45 и твердого сплава ВК6,
припой - медь.
Рентгеноспектрадьный анализ соединений твердого сплава
ВК6 со сталью марки 12Х18Н9Т, паянных медью в вакууме при
температуре ИЗО °C и выдержке 10 мин, показывает, что как в
каплевидные дендриты у „холодной стенки” твердого сплава,
так и в глобулярные включения в середине шва входят все раство-
82
IB ш
Си
Г
Рис. 3.10. Распределение элементов в сечении
паяного шва стали 45 и твердого сплава марки ВКб
(припой — медь Ml (а), припой системы Си- Sn (б):
I — зона стали; II—зона взаимодействия стали и
припоя; III — зона припоя;. IV — зона кристаллиза-
ции каплевидных дендритов Fe-Co; V — зона твер-
дого сплава
римые компоненты основных материалов, а именно: железо,
никель, хром, титан - из стали, кобальт - из твердого сплава,
медь- из припоя. .
Таким образом, процессы спекания твердых сплавов и их
пайка со сталью имеют много общего и характеризуются контакт-
ным взаимодействием между твердой и жидкой фазами, частич-
ным растворением твердых фаз жидкими фазами, диффузией в
жидкой фазе, объемным взаимодействием.
При пайке на оптимальных режимах спеченных твердых спла-
вов со сталью припоями на основе меди на первой стадии процесса
происходит смачивание паяемых материалов расплавом припоя,
Их химическое взаимодействие и начинается процесс растворения
основных материалов жидким припоем. При этом состав расплава
припоя меняется и достигает равновесной концентрации, соответ-
ствующей диаграммам состояния Fe-Cu и Со-Си.
Вторая стадия взаимодействия характеризуется дальнейшим
растворением основных материалов и образованием их пересы-
щенных растворов в расплаве припоя. Интенсивность процессов
первой и второй стадий определяется температурой, зазором,
площадью растворения (содержание кобальта в пересыщенном
растворе значительно выше, чем железа, так как площадь его
растворения ограничена карбидным каркасом).
Третья стадия происходит при прекращении нагрева. Кристал-
лизация шва сопровождается выделением из пересыщенного
расплава фаз, соответствующих равновесному состоянию. Кристал-
лизация происходит направленно у „холодной стенки”, т. е. со сто-
роны большего теплоотвода. При пайке твердого сплава ВК6 со
сталью кристаллизация происходит в основном у твердого сплава,
имеющего бдльшую теплопроводность, чем сталь. Со стороны
твердого сплава образуются дендриты каплевидной формы, рас-
пределенные равномерно и имеющие основания на подложке.
Глобулярные выделения, не успевшие осесть на подложках,
остаются в середине шва. При этом в их составе и в матричном
составе припоя концентрация растворенных элементов близка к
равновесной.
При других способах пайки и припоях меняется интенсивность
процессов, но общий характер взаимодействия в зоне пайки ос-
тается неизменным.
При пайке быстрорежущих сталей с конструкционными кине-
тика взаимодействия высокотемпературных припоев с основными
Рис. 3.11. Зависимость прочности на срез при растяжении телеско-
пических паяных соединений (а) и плоского соединения (б) от тол-
щины шва А
материалами соответствует схеме растворно-диффузионных про-
цессов взаимодействия твердых сплавов со сталями. На прочность
паяных соединений оказывает большое влияние толщина шва.
На рис. 3.11, а приведена зависимость прочности телескопиче-
ских соединений из твердого сплава Т14К8 и стали 45, паянных
погружением в расплав припоя марки АНМц 06-4-2, от толщины
шва.
Для плоских (нахлесточных) соединений лезвийного инстру-
мента наибольшая прочность соединений соответствует зазору
0,25-0,35 мм. На рис. 3.11, б показана зависимость прочности пло-
ских соединений твердого сплава ВК10 со сталью 40Х, паянных
латунью марки Л63, от толщины шва. Зависимость, построенная по
результатам обработки статистических данных на ЭВМ, показыва-
ет, что оптимальная толщина шва находится в пределах 0,2-
0,4 мм.
Структура паяных швов. Образование паяного соединения
твердого сплава со сталью происходит за счет частичного раство-
рения основных материалов припоем на основе меди при темпера-
туре пайки. При длительных выдержках при 1050 °C происходит
интенсивная диффузия кобальтовой связки из твердого сплава на
глубине 20-10 мкм, что приводит к образованию пористости в
околошовной зоне твердого сплава и отрицательно сказывается на
циклической прочности соединений.
После растворения жидким припоем основных материалов и
последующей их кристаллизации химический состав паяного шва
не совпадает с составом исходного припоя.
При пайке однородных материалов (например, твердый сплав с
твердым сплавом, сталь 45 со сталью 45) зависимости растворения
основного металла от длительности пайки не наблюдается, сос-
тавы жидких фаз в шве при температурах пайки соответствуют
равновесному состоянию, а содержание железа или кобальта в
зоне сплавления зависит от зазора при сборке и температуры
пайки.
При пайке разнородных материалов количество растворенных.
в шве компонентов зависит также от длительности нагрева.
Интенсификация растворения основных материалов наблю-
дается при уменьшении зазора, увеличении tn, увеличении раз-
ницы в содержании углерода в паяемых материалах.
Механические испытания образцов из твердого сплава и стали,
паянных медью, показывают, что они разрушаются по околошов-
ной зоне твердого сплава, обедненной кобальтом за счет его
растворения медью. Эксплуатационные испытания инструмента в
условиях вибрационных нагрузок подтвердили, что разрушение
твердого сплава, как правило, начинается с этой зоны. Следова-
тельно, растворение медью кобальта и диффузия его из твердого
сплава приводит к образованию околошовной пористости шириной
около 20 мкм. Каналы карбидного каркаса при кристаллизации
шва не заполняются новой фазой. Это может происходить вслед-
ствие различия параметров кристаллических решеток новой фазы
с решеткой кобальта. Обедненная кобальтом зона твердого сплаву
может служить концентратором напряжений при циклических
нагрузках на режущую часть инструмента или иметь низкую
прочность на сжатие, что приводит к разрушению твердого сплава.
Припои на основе систем Cu-Sn и Cu-Sn-Zn, легированных же-
лезом, никелем и хромом, позволяют проводить пайку при
1000-1020 °C. Исследования образцов, паянных этими припоями,
показали, что пористость в околошовной зоне твердого сплава
отсутствует, дендритная зона у поверхности твердого сплава
ограничена в размерах, что свидетельствует о торможении диф-
фузионных процессов в зоне шва (см. рис. 3.10, 6).
Испытания образцов и инструмента показали высокую и ста-
бильную прочность соединений (тср = 250...270 МПа), паянных
этими припоями. Анализ состава фаз в швах показал, что матрич-
ная фаза на основе Cu-Sn (припои П102 и ПЭИ-3) состоит в основ-
ном из меди и олова с небольшой примесью алюминия, а туго-
плавкая фаза состоит из железа (основа), никеля, хрома, меди,
алюминия (последний не входит ни в один состав припоев, что
подтверждает вывод о его растворении в кобальтовой фазе твер-
дых сплавов при их спекании).
При пайке быстрорежущих сталей с конструкционными кине-
тика взаимодействия высокотемпературных припоев с основными
металлами соответствует схеме диффузионных процессов взаи-
модействия твердых сплавов со сталями.
При пайке быстрорежущего инструмента широкое применение
нашел припой ПЖ60НХБ. Исследования показывают (рис. 3.12), что
при пайке, совмещенной с закалкой инструмента, происходит
активное растворение основных металлов, диффузия в них ком-
понентов этого припоя, что позволяет получать соединения с
прочностью на срез не ниже 400 МПа.
На основании приведенных результатов исследований можно
сделать выводы о характере взаимодействия припоев с твердыми
сплавами, быстрорежущими и конструкционными сталями.
1. Смачиваемость твердого сплава и прочность его паяного
соединения со сталью определяется содержанием кобальта, а для
титано-карбидных сплавов также содержанием твердого раствора
TiC-WC-
2. Характер газовой среды не влияет на кинетику образования
паяных соединений.
3. Введение во флюс соединений, содержащих металлы, вхо-
дящие в состав основных материалов, активизирует контактное
взаимодействие в зоне шва.
4. В результате взаимодействия кобальтовой фазы с припоем
образуется связь, которую можно представить в виде модели
поверхность твердого сплава - сеточные узлы диффузионного
взаимодействия кобальтовой фазы с припоем - припой.
5. При пайке в печах с газовой средой или в вакууме применв-
86
Рис. 3.12. Микроструктура участка соединения быстроре-
жущей стали Р6М5ФЗ и стали 40Х (х 200):
I — сталь 40Х, структура — троостосорбит, HRC 36—37; II -
легированный феррит HRC 26—27,5; III — зона шва, струк-
тура — мартенсит и включения легированного феррита
HRC 61-68; IV — околошовная зона; структура — троос-
томартенсит HRC 58—59; V — сталь Р6М5ФЗ, структура —
мартенсит мелкого строения и карбиды HRC 65-65,5; пай-
ка в соляной ванне (100% BaClj) по режиму закалки
быстрорежущей стали
ние меди в качестве припоя приводит к растворению основных
материалов (стали и кобальтовой связки твердого сплава) с обра-
зованием пересыщенных растворов этих металлов в меди, что
свидетельствует о диффузионном механизме взаимодействия
припоя с основными металлами.
6. Растворение зависит от начального (сборочного) зазора,
времени пайки и разницы в содержании углерода паяемых мате-
риалов. При уменьшении зазора, увеличении времени пайки и
разницы в содержании углерода процесс растворения усиливается.
7. При охлаждении паяных соединений кристаллизация жид.
кой фазы паяного шва происходит у материала с более высокой
теплопроводностью.
8. Кристаллизация паяного шва происходит с выделением на
холодной стенке ориентированных выделений сплава (каплевид-
ные дендриты), состоящих из компонентов стали, связки твердого
сплава и припоя в соотношениях, близких к равновесным (в сере-
дине шва эти выделения имеют глобулярную форму слившихся
капель).
9. В результате растворения основных материалов и после-
дующей их кристаллизации увеличивается начальный (сбороч-
ный) зазор и образуется зона пористости толщиной около 20 мкм
на поверхности твердого сплава со стороны шва.
10. Увеличение зазора и легирование припоя основными мате-
риалами уменьшает напряжения в твердом сплаве и увеличивает
прочность шва. Образование зоны пористости в твердом сплаве
отрицательно сказывается на свойствах инструмента, подвер-
женного большим циклическим нагрузкам.
11. Олово в качестве компонента припоев на основе системы
медь - олово или медь- олово - цинк оказывает тормозящее дей-
ствие на растворение основных металлов, положительно влияет
на формирование переходных зон паяных швов (снижает их ши-
рину до 2-3 мкм) и позволяет снизить температуру пайки до
1020 °C.
12. Наличие алюминия в швах, паянных припоем, который не
содержит алюминий, подтверждают исследования о насыщении
алюминием связующей кобальтовой фазы твердых сплавов при их
спекании с засыпкой оксидов алюминия.
13. Формирование высококачественных соединений твердо-
сплавного инструмента при пайке в печах типа СКЗ припоями
систем Cu-Sn, Cu-Sn-Zn способствует стабилизации качества пая-
ного инструмента и повышению его эксплуатационных характери-
стик.
14. Формирование высококачественных швов быстрорежущего
инструмента, паянного припоями типа ПЖ60НХБ в соляных ван-
нах, происходит также в результате диффузионных процессов и
позволяет экономить быстрорежущую сталь и повышать эксплуа-
тационную стойкость инструмента.
Температура пайки инструмента. При эксплуатации инстру-
мента на паяные соединения действуют силовые и тепловые
нагрузки, поэтому прочность соединения при срезе тср является
основным показателем его качества. В зависимости от вида ин-
струментального материала, назначения инструмента, свойств
материала режущего элемента и корпуса инструмента из конст-
рукционной стали тср = 150...500 МПа. Изменение температуры
эксплуатации инструмента в широком диапазоне приводит к
разрушению паяных соединений, если при выборе припоя это не
было учтено.
При эксплуатации инструмента температура в зоне присое-
динения режущего элемента часто превосходит 500-600 °C. Тогда
необходимо выбирать припой с температурой плавления не ниже
1000-1200 °C. Между тем оптимальной можно считать температуру
пайки, при которой происходит образование прочного паяного
соединения и не ухудшаются свойства инструментального мате-
риала. Для твердых сплавов всех марок максимально допустимой
является температура 1050 °C.
Данные исследования ударной вязкости по методу Шарли
образцов сплавов ВК8 и Т15К6 на копре МК-05 согласуются с кри-
вой (рис. 3.13) изменения ударной вязкости технического железа,
что свидетельствует о преимущественном влиянии на эту харак-
теристику состояния связки твердых сплавов. В интервале темпе-
ратур 1000-1020 °C начинается снижение физико-механических
свойств твердых сплавов.
Теплостойкость паяных соединений тем выше, чем выше
температура пайки. Поэтому оптимальной температурой пайки
твердосплавного инструмента следует признать температуру в
интервале 950-1020 °C. Этот вывод подтверждается исследова-
ниями влияния режимов термохимического упрочнения на режу-
щие свойства твердых сплавов, показавшими, что температура
1050 °C является критической для
твердых сплавов. Обработка режущих
пластин с механическим креплением
при температурах выше указанной
приводит к снижению режущих
свойств.
Таким образом, температура пай-
ки твердосплавного инструмента не
должна превышать 1050 °C, что под-
тверждено практикой внедрения
технологических процессов пайки и
упрочнения инструмента. Для
быстрорежущего инструмента опти-
мальной температурой пайки яв-
ляется температура закалки быстро-
режущей стали конкретной мар-
ки. Для композиционных мате-
риалов, СТМ и керамики темпе-
ратура пайки определяется их
Рис. 3.13. Зависимость ударной вязкости сплавов
марок ВК8 и Т15К6 от температуры термической
обработки в режиме пайки; образцы без надреза
в состоянии поставки; х — средняя величина
Ударной вязкости, 3F+S — доверительный интер-
вал показаний
Направление рисок
от шлифования
Дефекты в состоянии
поставки
Направление
трещин
Трещины от быстрого
охлаждения
Трещины от быстрого
нагрева
при пайке
Рис. 3.14. Характерный вид трещин в зависимости от вызывающих их
причин
3.7. Скорость нагрева и паяемость твердых сплавов
Марка Паяемость vH.’C
Смачиваемость, угол смачивания, * Склонность к трещинообразо- ванию при ох- лаждении, % Прочность па- яного соеди- нения при срезе, МПа
ВК15 ВК10 ВК8 ВК6 0-30 3 200-250 30-100
ВК4 ВКЗ ВК2 30-90 5 160-200 15-50
Т5К12 Т5К10 45-120 8 140-180 20-60
Т14К8 Т15К6 45-120 30 130-150 15-40
ТТ7К12 ТТ10К8 45-120 30 130-150 20-60
Т30К4 120-180 50 100-130 10-35
КНТ16 ТН20 120-180 50 100-130 10-25
теплостойкостью при нагреве на воздухе, в защитных газовых сре-
дах или в вакууме.
К параметрам пайки инструмента относятся также скорости
нагрева и охлаждения инструментальных материалов. Большие
скорости нагрева и неравномерность распределения температуры
по сечению режущей пластины часто приводит к появлению
горячих трещин (рис. 3.14).
В табл. 3.7 приведены допустимые скорости нагрева vH и отно-
сительная паяемость твердых сплавов при пайке на воздухе ла-
тунью Л63 с флюсами ПВ200, ПВ201, с флюсом ВНИИинструмент и
бурой (Na2B4O7).
При пайке твердосплавного инструмента в печи с газовой
средой или в вакууме нагрев и охлаждение проходят равномерно,
и опасности возникновения трещин нет. При пайке в печах отсут-
ствуют деформации корпуса, вызванные неравномерным нагре-
вом. При изготовлении тонкостенного кольцевого инструмента
важное значение имеет уменьшение геометрических размеров
детали после пайки (изменение диаметра). Проведенные до и
после пайки в печи типа СКЗ измерения показали минимальные
изменения диаметра коронок, что положительно сказывается на
работе инструмента.
3.3. ПРИПОИ И ФЛЮСЫ ДЛЯ ПАЙКИ ИНСТРУМЕНТА
Припои. Свойства припоев во многом определяют саму воз-
можность осуществления процесса пайки, выбор способа, его
температурный режим и производительность, работоспособность
инструмента, а также оборудование.
Требования к припоям. К инструментальным припоям предъ-
являют следующие требования:
температура плавления припоя должна быть ниже температу-
ры пайки в среднем на 50 °C;
припой должен хорошо смачивать поверхности соединяемых
материалов; припой должен образовывать паяный шов с прочной
связью, достаточной для эксплуатации инструмента;
припой не должен в значительной мере снижать прочность
соединяемых материалов, а также способствовать хрупкому раз-
рушению паяемых материалов;
припой должен быть технологичным при изготовлении и
применении;
припой должен содержать минимальное количество дефицит-
ных материалов, а также компонентов, мешающих утилизации
отходов инструмента;
форма и размеры припоя должны обеспечивать оптимальный
зазор между режущей пластиной и корпусом инструмента.
Припои классифицируют по назначению, химическому соста-
ву, температуре плавления, форме поставки и применения. Широ-
ко применяют припои на основе серебра, меди, никеля
3.8. Припои фирмы „Degussa” для пайки твердосплавного инструмента
Припой Состав, % Рабочая темпера- тура (DIN 8505), •c Предел прочности паяных соедине; ний/МПа Плотность, г/см^ Флюс
Ag Си Zn Добавки
Degussa 4900 49 16 23 7,5Mn 4,5Ni 625-705 690 250-300 8,9 Degussa Spezial h
_ *♦ Degussa 49/Cu 49 27,5 20,5 2,5Mn 0,5Ni 670-690 690 150-300 -
Degussa 2700 27 38 20 9,5Mn 5,5 Ni 650-830 840 150-300 8,7 Degussa S
- прочность паяных соединений твердого сплава со сталью фирма оговаривает в зависимости от содержания Со
в твердом сплаве.
** — трехслойный припой с внутренней прокладкой из меди.
3.9. Серебряные припои BAg системы Ag-Cu-Zn-Cd
Припой Состав, % Температура, *C
Ag Cu Zn Cd Ni солидуса ликвидуса пайки
BAg-1 45,6 15,3 16,2 22,9 — 607 619 619-760
BAg-la 50,7 15,5 16,5 . 17,3 — 627 635 635-800
BAg-2 35,4 25,3 21,1 18,2 — 607 702 702-760
BAg-3 50,1 15,4 16,1 15,5 2,9 632 688 688-750
BAg-4 40,0 30,0 28,0 -> 2,0 671 779 780-895
BAg-6 49-51 34,0 16,0 - - 688 774 774-871
3.10. Серебряные припои США и Германии для инструментального производства
Припой Состав, % Tn-’C Рабочая тем: ратура (DIN 8505), *C Плот- ность, г/см3 Стандарт Область применения Паяемые Материалы
Ag Cu Zn Cd До- бав- ки DIN8513 AWS-ASTM
Degussa 5009 50 15,5 15,5 16 3Ni 645-690 660 9,5 - BAg-3 Пайка твердо- сплавного инстру- мента Сталь, медь и медные сплавы, никель и нике- левые сплавы
Degussa 5004 50 15 17,5 17,5 - 620-640 640 9,5 LAgSOCd BAg-la
Degussa 4505 Degussa 3509 45 35 17 26 18 21 20 18 - 620-635 620-695 620 640 9,4 9,1 LAg45Cd BAg-1 BAg-2 Для паяно- го инстру- мента с высокими эксплуата- ционными нагрузкам!
Degussa 5600 56 22 17 - 5Sn 620-650 660 9,5 - BAg-7 Использу- ется в ка- честве цветного эквивален- та с основ- ными ма- териалами
Degussa 5507 55 21 22 - 2Sn 630-660 650 9,4 - -
Продолжение табл. 3.10
Припой Состав, % Тп/с Рабочая темпе- ратура (D»N 8505), *С Плот- ность, г/см$ Стандарт Область применения Паяемые материалы
Ag Си Zn Cd До- бав- ки DIN8513 AWS-ASTM
Degussa 2009 20 44,9 35 - 0.1S1 690-810 810 8,7 LAg20 BAg-28 Пайка алмазов Сталь, медь и медные сплавы, ни- кель и ни- келевые сплавы
Degussa 503 5 55 40 - - 830—870 860 8,3 LAg5 - Пайка с разными зазорами Сталь, никель и никеле- вые сплавы
Degussa 7200 72 28 - - - 780 780 10 LAg72 BAg-8 Пайка в защитных атмосферах
0 железа. Температура плавления этих припоев превышает 600 °C.
Выбор припоя определяется видом паяемого инструменталь-
ного материала, способом пайки и используемым оборудованием.
Так, для твердосплавного инструмента используют серебряные
н медные припои с температурой плавления tn = 600...1083 °C
(припои с tn > 980 °C ухудшают качество инструмента). Для быстро-
режущего инструмента используют серебряные припои (tn = 600...
620 °C), никелевые припои (tn = 1150...1200 °C) и железные припои
(tn = 1150...1240 °C). Для пайки сверхтвердых материалов и керами-
ки используют серебряные припои (tn = 600...700 °C) и специальные
активные припои на основе меди (tn = 880...950 °C).
Самофлюсование у инструментальных припоев зависит от спо-
соба пайки и оборудования. С повышением температуры плавле-
ния самофлюсующие свойства припоев, как правило, возраста-
ют. Наибольшей самофлюсующей способностью обладает припой
на железной основе марки ПЖ60НХБ, предназначенный для
пайки быстрорежущего инструмента.
Припои применяют в виде полосы, листа, порошка, стружки,
слитков и т. д. Припои в виде полосы и листа бывают однослой-
ными и многослойными, порошковые, композиционные. Припои
в слитках применяют для пайки погружением.
Серебряные припои на основе системы Ag-Cu-Zn, легирован-
ной марганцем, никелем, кремнием и другими элементами, и
системы Agr-Cu-Zn-Cd, легированной никелем, получили наиболь-
шее распространение в зарубежной практике инструментального
производства (табл. 3.8-3.12) и имеют широкую номенклатуру
марок.
Для пайки твердосплавного инструмента применяют припой
марки Degussa 49/Си,представляющий собой трехслойную компо-
зицию из серебряного припоя с промежуточной медной проклад-
кой. Это позволяет получать малонапряженные, прочные пая-
ные швы с оптимальной гарантированной толщиной, равной
0,3 мм. Этот припой имеет преимущества по сравнению с однослой-
ным серебряным припоем при пайке дисковых пил, оснащенных
пластинками твердого сплава марки ВК10. При испытании на срез
соединения, паянные однослойным припоем (зазор 0,05 мм), раз-
рушаются хрупко, а соединения, паянные припоем Degussa 49/Cu
(зазор 0,3 мм) - вязко, предел прочности на срез последних на
30-40 % выше.
В инструментальном производстве различных стран мира
используются припои типа BAg (табл. 3.9). Фирма „Degussa” (ФРГ)
кроме специализированных припоев для пайки твердосплавного
инструмента производит также другие серебряные припои для
инструментального производства (табл. 3.10). Серебряные припои
США и стандартные серебряные припои, выпускаемые в Герма-
нии для пайки инструмента, приведены в табл. 3.11 и 3.12.
Из перечисленных серебряных припоев типа BAg наиболее ши-
рокое распространение для пайки твердославного инструмента
3.11. Серебряные припои США
Состав, % Температура, “С
Ag Си Zn Sn Ni Мп солидуса ликвидуса
50 21,5 27 1 0,5 < 50 680 '
45 25 25,5 3 1,5 645 700
42 21 27 2 4 4 665 750
39 31 27,5 2,5 — — 635 710
30 36 32 2 — — 655 755
получили припои BAg-З и BAg-4: содержащийся в них никель уве-
личивает смачиваемость. Хотя припой BAg-З имеет относительно
широкий интервал кристаллизации, его твердая и жидкая фазы
не склонны к чрезмерной ликвации. Это позволяет применять
припой для пайки соединений с большими зазорами или с галте-
лями. Припой имеет хорошие антикоррозионные свойства, но
растекается несколько хуже, чем припой BAg-1, BAg-2. После пай-
ки припой приобретает беловато-желтоватый цвет.
Припой BAg-4 при пайке твердосплавных пластин требует
несколько повышенной температуры нагрева. В расплавленном
состоянии припой более вязкий, чем BAg-З. После пайки припой
приобретает светло-желтый цвет.
Температура пайки твердосплавного инструмента серебря-
ными припоями 600-800 °C, что ниже температуры закалки конст-
рукционных сталей. Поэтому становится невозможной закалка
корпуса инструмента непосредственно у мест соединения его с
твердосплавной пластинкой, проводимая при пайке отечествен-
ными высокотемпературными припоями в целях снижения оста-
точных напряжений в паяных соединениях и для повышения
твердости корпуса инструмента.
В отечественной практике серебряные припои при производ-
стве инструмента нашли ограниченное применение вследствие
дефицитности серебра. Для пайки быстрорежущего инструмента
применяли только припой ПСр40, имеющий наименьшую темпе-
ратуру плавления, что обеспечивает получение паяных соедине-
ний при температуре, превышающей температуру отпуска быстро-
режущей стали на 80... 100 °C.
Для различных твердосплавных инструментов ограниченно
применяют серебряные припои ПСр40, ПСр44, ПСр50Кд, ТМСр47М.
Первые три припоя (табл. 3.13) применяют в виде фольги толщи-
ной 0,2 мм и проволоки диаметром 0,8-2 мм. Припой ТМСр47М
представляет собой медную фольгу толщиной 0,1 мм, плакиро-
ванную с обеих сторон припоем состава:
Ag45,4-47,7 %, Си 17,5-20 %, Zn 15,5-16,7 %, Cd 17,4-19,2 %.
Наиболее высокое качество твердосплавного инструмента
обеспечивает припой ПСр44.
Медные припои. Медь в качестве припоя традиционно исполь-
3.12. Серебряные припои Германии* системы Ag-Cu-Zn
Припой Состав, % Tn,"C Область применения
Ag Си Zn Cd Добавки солидуса пиквидуса пайки
LAg27 27 39 ост. - Mn9, Ni5 680 830 840 Пайка твердых сплавов со сталью
LAg49Mn7 49 17 ост. - Mn7, Ni4 630 705 690
LAg44**‘ 44 31 OCT. — — 680 740 730 Пайка высоколегирован- ных сталей и твердых- сплавов
*С повышением содержания серебра возрастает качество паяных швов. Припои с цинком и кадмием не применяют для
пайки в печи с защитной атмосферой и вакуумом.
^^Цля пайки соединения с зазором 0,05...0,25 мм.
Припой с повышенной прочностью до температуры 400 *С.
3.13. Отечественные серебряные припои
Припой Состав, % Температура, ’С
Ag Си Zn Cd Добавки солидуса ликвидуса пайки
ПСр50Кд 50 16 16 18 — — 685 650
ПСр40 40 16,7 17 26 Ni 0,3-0,5 595 605 620
ПСр44 43-45 26-28 14-16 7-9 Ni 1,5-2,5, Мп 2,5-3,5 650 800 800
Зуют при пайке стальных деталей в печах с газовой средой. Соеди-
нения твердого сплава со сталью имеют прочность на срез тср =
= 220—240 МПа.
Однако исследования показали, что медь не является опти-
мальным припоем для пайки твердосплавного инструмента, более
того, она вообще не пригодна для этой цели по следующим причи-
нам: высокая температура пайки (1130-1150 °C) снижает режущие
свойства твердых сплавов и прочность стального корпуса; актив-
ное растворение медью железа стали и кобальта связки твердого
сплава приводит к образованию пористости на границе твердого
сплава с припоем, что снижает надежность инструмента при цик-
лических нагрузках.
При пайке быстрорежущего инструмента медь вытекает из
зазоров при температуре закалки. Медь, которую обычно использу-
ют при пайке, содержит примеси. К числу вреднейших примесей
относятся свинец и висмут. Эти элементы и другие примеси, не
растворяясь в меди, приводят к резкому снижению прочности
паяных соединений при повышенных температурах. Так, при
температуре 500 °C временное сопротивление технической меди
уменьшается в 4 раза, а ее пластичность - в 2 раза. Прочность
паянных медью соединений инструмента катастрофически падает
до нуля при термоциклировании в процессе работы.
Таким образом, медь как припой недопустима при пайке
инструмента. Тем не менее ее часто используют для этой цели,
что является причиной низкого качества инструмента.
Применение в инструментальном производстве в качестве
припоев неспециализированных латуней типа Л63 также не обес-
печивает высокого качества инструмента. Такие соединения
характеризуются низкими физико-механическими свойствами,
особенно при повышенных температурах и эксплуатационных
нагрузках. Следствием являются поломки инструмента при ра-
боте.
Инструментальные припои на основе меди (температура плав-
ления 870-1070 °C) применяют в основном для пайки твердосплав-
ного инструмента.
Специальные припои на основе меди применяют для пайки
сверхтвердых материалов и керамики. Температура плавления
таких припоев находится в пределах 880-950 °C.
В Германии для пайки твердосплавного инструмента в печах с
газовой средой используют припой марки LCu: Си - основа, Zn 0,5%
Р 0,05 %. При введении в медь незначительного количества рас-
кислителей (цинк и фосфор) температура плавления припоя
несколько снижается (1070 °C вместо 1083 °C для чистой меди), но
и это приводит к частичной потере стойкости инструмента за счет
превышения температуры пайки над оптимальной, равной 1000 °C.
В отечественной и мировой практике базой для разработки
специальных инструментальных припоев на основе меди служат
s
3.14. Припои для пайки твердосплавного металлорежущего инструмента
Припой Химический состав, % Температура, *С
Си N1 Мп В Ге Si Zn солидус ликвидус пайки
МНМц 68-4-2* 62-68 4-5 1,5-2,5 0,05 -- — ОСТ. 915 975 1000
ЛМцЖ 57-1,5-0,75** 56-58 — 1 0,07-0,15 0,5-1,0 0,1-0,2 ост. 865 873 930
*Примесейне более 0,3 %.
**Примесей не более 0,5 %, в том числе РЬ 0,05, А1 0,02 %.
3.15. Механические свойства припоев системы Cu-Zn и паяных соединений
Материал Механические свойства Ударная вязкость КС, Дж/см , при тем- пературе, *С Предел прочности на срез, МПа, паяного сое- динения твердого сплава со сталью при тем- пературе, ’С
Временное сопротивление, МПа, при температу" ре, *С Предел текучести, МПа, при температу- ре,’С Относи- тельное удлине- ние при 20 *С, %
20 300 20 300 20 600 20 600
ПрМНМц 68-4-2 400 250 200 100 43 120 35 200-240 70-100
ЛМцЖ 57-1,5-0,75 460 300 250 170 25 45 -- 206
Л68 260 - — — 27 140 — 200-220 --
Примечание. При пайке жидкая фаза припоя, взаимодействуя с основными металлами, частично их растворяет,
поэтому свойства паяного соединения обусловливаются не только механическими характеристиками припоя, но и степенью
диффузионного взаимодействия, зависящего от температуры пайки, состава припоя и характера кристаллизации жидкой
фазы, который зависит от скорости охлаждения и теплофизических свойств основных материалов.
системы Cu-Zn, Cu-Mn, Cu-Sn. Наиболее распространенной и изу-
ченной является система Cu-Zn (табл. 3.14, 3.15).
Индукционная пайка ТВЧ характеризуется высокой скоростью
нагрева (40-100 °С/с) и малой выдержкой при рабочей температу-
ре (3-15 с). В этих условиях припои должны содержать компонен-
ты, близкие по свойствам к кобальту, являющемуся связкой для
большинства марок спеченных твердых сплавов. Обычно в припои
вводится никель - менее дефицитный, чем кобальт, и более
активный, чем железо. В процессе расплавления и выдержки при
температуре пайки происходит взаимодействие жидкого припоя с
кобальтом твердого сплава на границе раздела твердой и жидкой
фаз. Никель склонен к некоторой ликвации из жидкого припоя в
условиях взаимодействия с поверхностью твердого сплава.
Твердые растворы системы Co-Ni при кристаллизации паяных
швов располагаются по границам твердого сплава, способствуя
получению более прочных соединений. Кроме того, никель яв-
ляется металлом, расширяющим область a-твердого раствора, что
стабилизирует систему Cu-Zn и благоприятно влияет на эксплуа-
тационные свойства паяного инструмента.
Железо мало растворимо в а-латуни в твердом состоянии (до
0,1 %). Небольшие его количества в двухфазных (а + ₽) латунях
положительно влияют на эксплуатационные и технологические
свойства припоев на этой основе, так как железо способствует
образованию мелкозернистой структуры. Кроме того, в переходных
зонах между припоем и сталью даже при отсутствии железа в
припое наблюдается его положительное влияние на систему Cu-Zn
вследствие незначительного растворения железа припоем.
Введение марганца в латуни повышает их прочность при
повышенных температурах; в небольших количествах он также
повышает пластичность припоя и снижает температуру его плав-
ления. Снижение пластичности припоев таких систем начинается
при содержании марганца более 4 %.
Небольшие добавки алюминия в сплавы на основе меди,
содержащие никель и марганец, значительно повышают эксплуа-
тационные свойства тяжелонагруженного инструмента. В составы
этой системы вводятся также элементы-раскислители (Si, В и др.),
способствующие повышению самофлюсующих свойств припоев.
Припой ПрМНМц 68-4-2 содержит относительно небольшое
количество примесей (см. табл. 3.14), а введение в его состав
никеля и марганца делает соединения, образованные им, доста-
точно прочными при нормальной и повышенной температуре. К
недостатку припоя следует отнести то, что он не может форми-
ровать соединения с заданной толщиной паяного шва. Он реко-
мендуется для пайки металлорежущего инструмента, работающего
в тяжелых условиях при повышенных температурах.
Припой ЛМцЖ 57-1,5-0,75 выпускается в виде однослойной
ленты толщиной 0,3-0,5 мм, рекомендуется для индукционной
пайки и пайки электросопротивлением, хорошо растекается при
использовании флюса, содержащего фторборат, в ряде случаев
позволяет снизить уровень остаточных напряжений. Температур^
пайки 930 °C, средняя прочность на срез паяных соединений
инструментов около 206 МПа.
Припой образует паяные швы нерегулируемой толщины. При-
меси снижают прочность соединений при повышенных температу-
рах и нагрузках. Иногда твердосплавные пластины резцов, при-
паянные этим припоем, отскакивают в начале эксплуатации. Этот
припой лучше применять для пайки многолезвийного инструмен-
та. В этом случае припой затекает в зазор после взаимодействия с
флюсом, частично рафинируется, и не так сказывается негативное
влияние примесей на свойства паяных соединений.
Несмотря на присущие этим двум припоям недостатки, каче-
ство паяных соединений с их применением выше, чем при исполь-
зовании неспециализированных латуней. Например, припой
ПрМНМц 68-4-2 позволил обеспечить работоспособность токарных
резцов при повышении скорости на 13 % при обработке стали и на
42 % при обработке чугуна, что соответствует повышению стойко-
сти на 30-40 % при обработке стали и на 100-120 % при обработке
чугуна.
Порошковые несгандартизированные припои на основе легиро-
ванных латуней находят все большее применение при пайке
твердосплавного инструмента. Серийно выпускается порошковый
припой П100 (ПД 53Цн21 ГН) на основе меди, содержащий, %:
Zn 19-23, Ni 2-6, Мп 6-10, Сг 1,5-2,5, Fe 5-9, и примеси -S 0,05, Р 0,05.
Припой обеспечивает при температуре пайки 1000 °C прочность
на срез паяного соединения твердого сплава всех марок со сталью
40Х 200-300 МПа. При этом формируется шов оптимальной толщи-
ны 0,2-0,3 мм и сокращается брак по непропаю, увеличивается
прочность паяного соединения за счет распределения пористости
равномерно по всему объему шва. Припой применяют в виде
прессованных заготовок из смеси припоя и флюса.
Более совершенным является порошковый припой ПИ-12,
разработанный совместно ВНИИинструмент и НПО „Тулачермет”.
Этот припой, как и П100, образует паяные швы нормированной
толщины 0,2-0,3 мм и высокой прочности 250-300 МПа при темпе-
ратуре пайки 940-980 °C. Припой ПИ-12 позволяет повысить стой-
кость резцов, оснащенных твердым сплавом Т15К6, по крайней
мере в 1,5-3 раза. Применение этого припоя обеспечивает надеж-
ность паяных соединений даже в самых тяжелых условиях реза-
ния инструмента.
Трехслойный припой ТП-1 состоит из более тугоплавкой сре-
динной части и облицован легкоплавкой латунью и не обеспечи-
вает высокой работоспособности инструмента.
Этот припой образует малонапряженные паяные соединения
за счет того, что он при меньших усилиях, чем многие другие при-
пои, может деформироваться во всем температурном диапазоне:
от температуры солидуса наружных слоев до комнатной температу-
102
рЫ. Это объясняется тем, что латунь ЛнМц 50-2-2 от температур
солидуса до 300 °C имеет весьма низкий предел текучести - менее
9,81 МПа.
Толщина паяного шва при использовании трехслойного при-
поя ТП-1 равна 0,7-0,8 мм, т. е. в 5-10 раз больше, чем толщина,
полученная с применением однослойных припоев, и примерно в
2-3 раза больше, чем для швов, образуемых порошковыми припоя-
ми- Однако те свойства этого припоя, которые обеспечивают
низкий уровень напряжений в твердом сплаве, снижают работо-
способность инструмента, так как даже при незначительных
нагрузках на режущую пластину начинается деформация паяного
шва вследствие низкого предела текучести припоя и большой его
толщины. В результате припой частично выжимается из зазора,
режущая пластина изгибается и ломается. Например, при экс-
плуатации эжекторных сверл диаметром 25 мм, паянных припоем
ТП-1, помимо поломок твердосплавных пластин происходит их
смещение и уменьшение диаметра сверла в среднем на 0,07 мм.
Это затрудняет или делает невозможным обратный ход сверла,
что недопустимо.
Инструментальных припоев на основе системы Cu-Sn немного,
но они обладают специфичными, только им присущими свойства-
ми. До 1973 г. припои на этой основе для пайки инструмента не
применяли. Впервые эту систему использовали при разработке
технологии высокопроизводительной механизированной пайки в
печи с газовой средой и в вакууме по ряду причин:
отсутствие легкоиспаримых компонентов позволяет произво-
дить пайку в печах с газовой средой и в вакууме при сравнительно
больших выдержках (3-10 мин) при рабочей температуре (при
индукционном нагреве цикл пайки поднотипного инструмента
длится не более 90 с);
в соответствии с диаграммой состояния системы Cu-Sn со сто-
роны меди температура ликвидуса резко снижается до 800 °C
(16 % ат.), что позволяет получать припои с относительно невысо-
кой температурой плавления;
оловянные бронзы обладают хорошими литейными свойства-
ми и высокой прочностью (ов до 400 МПа);
литейные оловянные бронзы имеют незначительную объем-
ную усадку (~ 1 %) - наименьшую из всех известных сплавов, что
позволяет получать сложное фасонное литье с резкими перепада-
ми толщин;
эти сплавы мало чувствительны к перегреву и газам, немагнит-
ны, морозостойки, обладают большим интервалом кристалли-
зации, поэтому при затвердевании не образуется усадочная ра-
ковина.
Исследование соединений твердых сплавов со сталью,
ныполненных припоями систем Cu-Sn, Cu-Sn-Zn, Cu-Sn-Ni,
Cu-Sn-Zn-Ni-Fe-Сг, Cu-Sn-Ni-Fe-Cr-Al-Ti, на рентгеновских
Микроанализаторах, позволили сделать выводы о взаимодействии
компонентов припоя с инструментальными материалами и влия-
нии присадок:
добавки цинка в количестве 5-10 % не оказывают существен,
ного влияния на структуру бронз, так как цинк в этих количест-
вах растворяется в меди, несколько повышают текучесть припоя,
увеличивают интервал кристаллизации, при этом снижается
стоимость припоя;
никель и железо резко влияют на свойства основы припоя,
сдвигая границу насыщения области a-твердого раствора в сторону
меди, поэтому целесообразно вводить эти компоненты в припой в
связанном состоянии;
при пайке твердых сплавов этими припоями не происходит
растворения и выноса кобальта за границы твердого сплава, в его
теле не образуется пористость, что благоприятно сказывается на
свойствах соединений в условиях высоких циклических нагрузок,
например, при эксплуатации тяжелого режущего и бурового инст-
румента;
введение в припой титана позволяет получать прочные пая-
ные соединения неметаллических материалов (эльбора-Р, гекса-
нита-Р, керамики и др.) со сталями при пайке в вакууме, в газо-
вой среде или с флюсом.
Широкое применение в промышленности получили следу-
ющие припои.
Порошковый припой П102 имеет следующий состав, %: Си-ос-
нова, Ni 1-2, Fe 2-4, Zn 8-10, Sn 8-10, Сг 0,5-1,5, примесей не более
0,3. Температура солидуса 650, ликвидуса 900, пайки 930-950 °C.
Припой обладает преимуществами перед другими припоями:
наименьшей объемной усадкой (до 1 %), низкой температурой
солидуса (650 °C), что приближает его по температуре кристалли-
зации к серебряным припоям. При равной с другими припоями на
медной основе температуре пайки он полностью затвердевает при
невысокой температуре, когда значительное сокращение объема
корпуса инструмента уже произошло, в результате остаточные
напряжения в твердом сплаве имеют минимальные значения. Он
позволяет формировать шов заданной толщины за счет порошко-
вой тугоплавкой составляющей. Припой обеспечивает требуемую
прочность паяных соединений (245-295 МПа), позволяет снизить
уровень паяльных остаточных напряжений, повышает надежность
работы инструмента. Кроме того, применение припоя в виде
паяльной пасты значительно упрощает технологический процесс
и создает предпосылки для широкой его механизации при исполь-
зовании высокопроизводительных печей непрерывного действия
типа СКЗ. Припой можно также использовать при индукционной
пайке в виде прессованных заготовок из смеси припоя и флюса.
Порошковый припой ПИ-8 при индукционной пайке инстрУ'
мента позволяет получать равнопрочные соединения твердых
сплавов с державками из спеченных сталей.
Для пайки СТМ и керамики в вакууме разработана гамма
104
3.16. Припои для пайки СТМ и керамики в вакууме
Припой Состав, % Применение
Си Sn Ni Fe Cr Ti Al
ПЭИ-3.1 75 Ост. 0,6 0,3 0,4 20 0,2 840-900 Пайка эльбо- pa-P, гексани- та и др.
ПЭИ-3.14 Ост. 16 о,7-1,0 3-4 0,6-0,8 15 ),05-0,1 880-920 Пайка эльбо- ра-Р, керами- ки
ПЭИ-3.2 Ост. 15-22 1.0 0,25 0,25 0,05 0,01 870-950 Пайка твер- дых сплавов и СТМ
ПЭИ-3.3 Ост. 22 10 8,0 3,0 1,0 0,1 880-930 Пайка СТМ, керамики
ПЭИ-3.4 Ост. 20 3,0 2,0 1,0 1,5 0,05 900 Пайка СТМ, твердых спла- вов
припоев типа ПЭИ-3 (табл. 3.16). Они образуют равнопрочные
соединения инструментальных материалов со сталью при пайке в
вакууме.
Припои на основе системы Cu-Mn обладают следующими свой-
ствами:
имеют относительно узкий интервал кристаллизации, поэто-
му практически отсутствует ликвация в паяных швах;
оксиды, имеющиеся на поверхности припоя, восстанавливают-
ся при температурах, равных или ниже температуры ликвидуса
припоя в печах с восстановительной газовой средой;
расплавы припоя заполняют зазоры до 0,5 мм, в то же время
имеют достаточную текучесть для заполнения зазоров 0,1 мм;
не содержат, как правило, элементов, испаряющихся во время
пайки с образованием паров, ухудшающих футеровку или атмо-
сферу печи;
не образуют с основными материалами хрупких сплавов и
интерметаллических соединений.
В системе Cu-Mn наиболее низкой температурой плавления
(870 °C) обладает сплав с 65 % Си и 35 % Мп, который часто исполь-
зуется в качестве базового при разработке припоев.
Поверхностная пленка припоев этой системы состоит из не-
скольких слоев оксидов, имеющих разную степень стабильности,
поэтому она полностью восстанавливается только в водородной
атмосфере печи с точкой росы не ниже -55 °C при температуре
1000 °C (перегрев 130 °C).
Эта особенность не позволяет использовать припои этой систе-
мы при всех способах пайки инструмента без легирования другими
компонентами для придания им необходимых физико-механичес-
ких и технологических свойств. Основным легирующим компонен-
том этой системы является никель. Медь и марганец с никелем
образуют ряд твердых растворов, при содержании Ni 39,5 % сплав
имеет температуру плавления 1005 °C.
Железо с марганцем также образует ряд твердых растворов и
значительно повышает пластичность медно-марганцевых сплавов.
Введение в эти припои углерода, бора, кремния позволяет улуч-
шить технологические свойства (растекаемость, смачиваемость).
Небольшое количество алюминия значительно повышает
прочность и пластичность медно-марганцевых сплавов при нор-
мальной и повышенных температурах, что важно для инструмен-
тальных припоев.
Припои системы Cu-Mn-Ni хорошо заполняют различные
сборочные зазоры (0,075-0,75 мм) при оптимальной температуре
пайки твердосплавного инструмента, равной 1000 °C, но требуют
при печной пайке достаточно низкой точки росы (-40 °C), что до-
стигается применением взрывоопасных газовых сред - диссоции-
рованного аммиака или чистого водорода.
Японские фирмы выпускают инструментальный припой
ZUIKO CMZ на основе системы Cu-Mn, легированный цинком и
железом. По данным фирм этот припой обеспечивает работоспо-
собность твердосплавного инструмента даже в условиях прерывис-
того резания с ударом. Стойкость инструмента и производитель-
ность обработки повышаются в 3 раза по сравнению с инструмен-
том, паянным серебряным припоем BAg-1 (табл. 3.17,3.18).
3.17. Сравнительные характеристики режимов резания инструмента,
паянного припоями ZUIKO CMZ и BAg-1
Параметр Резцы с твердым сплавом ST 20(TSK 10), паянные припоем
CMZ BAg-1
Глубина резания, мм 15-20 10-12
fl о дача, мм/об 0,4 0,3
Скорость резания, м/мин 111 74
3.18. Свойства припоя ZUIKO CMZ
Свойства припоя Состояние сплава
Отливка Прокат (деформации 90 %) Прокат (термообра- ботка при 600 ®С в в течение 2 ч)
Временное сопротивление, МПг 350 700 400-500
Относительное удлинение, % 30 3-7 30-49
Примечание. Температура плавления —860, пайки — 910 °C.
Исследования показывают, что прочность соединений, паян-
ных BAg-1 и медью, резко падает в интервале температур
300-400 °C, в то время как у соединений, паянных ZUIKO CMZ, со-
храняется прочность до 600-700 °C. Соотношение между прочнос-
тью при срезе и временным сопротивлением паяных соединений
имеет вид тср = (1/2...1/3)ов. Соединения, паянные серебряными
припоями, лучше выдерживают деформации растяжения, а сое-
динения, паянные припоями с марганцем, - деформации среза.
Необходимо отметить, что паяные соединения при эксплуатации
режущего инструмента деформациям растяжения практически не
подвергаются.
В США инструментальные припои на основе медь - марганец
легируют никелем, кобальтом и кремнием (табл. 3.19).
Фирма „Degyssa” (ФРГ) выпускает легированный кобальтом
припой 21/68 для пайки твердосплавного инструмента (табл. 3.20).
Отечественный припой БрКоМп 3-10 является аналогом этого
припоя.
3.19. Характеристики легированных инструментальных
припоев на основе системы Си—Мп
Состав, % 0в, МПа 0_, МПа т> Относительное удлинение, % Температура, •с
Мп 10-12 Ni 1,9-2,4 Си — ост. 350 — 50 965-995
Мп-10, Со - 4, Си — ост. 330 — 25 980-1030
Мп - 0,25 № - 2,8, Si - 0,8, Си - ост. 660 — 20 1090-1100
Мп 1,5-2,5; N'l 3—4; А1 0,5-0,6; Си — ост. 270 при 20 *С; 120 при 600 °C 140 при 20 °C; 60 при 600 *С 39 при 20 °C; 36,5 при 100 *С 1050-1070
3.20. Припои системы Cu-Mn-Co для пайки твердосплавного инструмента
Припой Состав, % Температура, "С Прочность соединений на срез, МПа
Си Мп Со Р плавления пайки
Degussa 21/68 87 10 3 - 960-1030 1020-1080 300-350
БрКоМп 3-10 Ост. 9-11 2,5-3,5 0,05-0,5 965-1024 1020-1080 226
В группу припоев на основе системы Си - Мп входит также прц.
пой АНМц 06-4-2. Он применяется при индукционной пайке соедц.
нений малой протяженности, работающих в тяжелых условиях.
Паяные соединения обладают высокой прочностью и теплостой-
костью. Припой наиболее эффективен в сочетании с флюсом
марки Ф1и0. Существенным недостатком припоя являются высокие
температуры плавления и пайки. Это приводит к снижению стой-
кости инструмента. То же можно сказать и о предыдущих припоях
марок Degussa 21/68 и БрКоМп 3-10. Кроме того, они менее пластиц.
ны, чем припой АНМц 06-4-2.
Порошковый медно-марганпевый припой ПИ-20.6 обеспечивает
прочность паяных соединений при срезе 250-320 МПа. Температура
пайки при этом не превышает 1000 °C.
Припой позволяет получать прочные соединения не только
твердых сплавов со сталями, но равнопрочные с основными мате-
риалами соединений керамики, графита и различных марок ком-
позитов с конструкционными сталями. Припой используется при
индукционной пайке и пайке электросопротивлением, пайке в
вакууме и в расплавах солей.
Испытания показали, что стойкость борфрез, паянных поро-
шковым медно-марганцевым припоем ПИ-20.6, в среднем на 60 %
выше, чем при использовании припоя АНМц 06-4-2.
Никелевые припои нашли широкое применение для пайки
коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов. Имеется
опыт применения никелевых припоев для высокотемпературной
пайки инструмента.
Основными легирующими компонентами никелевых припоев
являются хром (для повышения жаростойкости и жаропрочности),
бор, фосфор, кремний, марганец, углерод, бериллий. Иногда в
качестве добавок применяют железо и молибден.
Пайку никелевыми припоями проводят в печах с защитной
газовой средой, в вакууме, иногда применяют индукционную
пайку на воздухе с флюсом. Легирование никелевых припоев
бором, литием, калием и натрием обеспечивает им самофлюсу-
ющие свойства при пайке в аргоне.
Наилучшие результаты при пайке изделий никелевыми припо-
ями получают, когда основные материалы и припои имеют близ-
кий химический состав.
В табл. 3.21 приведены составы никелевых припоев, применя-
емых в отечественной практике. Указанные припои обеспечивают
более высокую прочность паяных соединений быстрорежущих и
конструкционных сталей, чем припои на медной основе и так
называемые сварочные порошки на основе Fe - Мп. Наибольшее
распространение получили припой ВПр7 и припой П110. Эти при-
пои применяют при изготовлении инструмента по схеме пайка -
отжиг - обработка резанием - закалка - заточка. Такая схема
трудоемка и содержит энергоемкую операцию отжига. Кроме того,
3.21. Отечественные никелевые припои для пайки инструмента
Состав* Температура, ”C
Сг Si Мп Мо Добавки солидуса Ликвидуса
— 14 0,2 2,4 Fe2 1115 1160
— 10 0,07 17 Fe 0,6 — 1160
— 8 4 17 — 1050 1150
5 10 — 16 — 1140 1190
— 7 8 15 — 1120 1150
13 8 — 15 1040 1190
— 5 17 15 — 980 1010
— 5 22 15 — 965 1000
— 5 20 9 — 1040 1090
10 5 13 9 — 1150 1190
— — 20 — — 1250 1280
6-12 0,5-1,5 20-30 0,5-0,7 — — 1140
8-10 — 27-30 — — 1120 1150
20 10 10 — — — —
14-16 4-5 — — Fe 3-5, 0,5-05 С В 2-3, 0,1-1,0 Al 980 1050
16 1 24 — Fe 1, 0,1 С — —
15 4 21 —. Fe8
19 10 10 0,06 — — —
““ — 31 — Pd21 — 1120
1 '-30 0,5-2 20-30 — В 0,3 950 1070
* Ni — остальное.
при утилизации отходов паянного этими припоями инструмен-
та никель попадает в быстрорежущую сталь, снижая ее свой-
ства.
Железные припои (табл. 3.22), несмотря на их относительно
низкую стоимость, до недавнего времени применяли сравнитель-
но редко. Это объясняется тем, что не удавалось получить плас-
тичные припои со сравнительно низкой температурой плавления.
Легирование железных припоев бором и кремнием снижает их
температуру плавления, а легирование вольфрамом и хромом
повышает их жаростойкость и жаропрочность. Введение в желез-
ные припои марганца повышает их пластичность при сохранении
высокой температуры плавления. Сложное легирование и введе-
ние меди позволяет снизить температуру плавления железных
припоев.
Припои с добавками марганца по температуре плавления
близки к припоям, применяемым при пайке инструмента. Однако
°ни имеют недостаточные самофлюсующие свойства для пайки
быстрорежущего инструмента в соляных ваннах.
Близки по составу к этим припоям сварочные порошки, дли-
тельное время применяющиеся для пайки быстрорежущих плас-
Состав, % Температура, ’С
Fe Ст № W Si В Добавки солидуса ликвидуса
67-55 13-19 17-22 3-4 1260
Ост. 7-11 — — 2-4 1-2 1315
60 — — — — Та-40 — 1400
74 18 8 «о «о — — 1425
55 25 20 «о «о — — 1455
Ост. 6,1 4,5 0,3 0,35 С 1,0; Р< 0,1; Мп 15,4; Мо0,Г, АЮ,15; Си 0,5 — 1150
Ост. 0,1-0,4 4,2-4,7 — 0,1-0,4 0,1-0,4 С 0,8-1; Мп 14,5-16; Си 4,5-5,0 1070 1100
* Припой ВЗМИ-49.
тин к державкам. Они состоят из смесей ферросплавов (FeMn nFeSi)
с порошковыми медью и железом и включают в себя флюсы?
примерное соотношение 70 % припоя и 30 % флюса.
Для получения требуемых режущих свойств инструмента стано-
вится необходимой довольно сложная и трудоемкая технология
изготовления и термической обработки инструмента, в которую
входят:
пайка пластины с использованием сварочного порошка: нагрев
соединяемых материалов на установке ТВЧ или на контактных
сварочных машинах до температуры 1260-1280 °C и опрессовка (об-
жатие) паяного шва прижимом пластины к корпусу инструмента в
процессе его охлаждения после пайки;
отжиг инструмента после присоединения пластин по режиму,
принятому для применяемой быстрорежущей стали;
закалка и отпуск инструмента по режимам, рекомендуемым
для получения требуемых режущих свойств применяемой быстро-
режущей стали.
Такая технология, обеспечивая удовлетворительное качество
термической обработки быстрорежущей стали, не позволяет
получить высокое качество соединений.
В связи со структурными изменениями, происходящими в
быстрорежущей и конструкционной сталях, в процессе термичес-
кой обработки (неполная закалка при соединении, отжиг, закал-
ка, отпуск) инструмента, наличием в паяных соединениях значи-
тельных остаточных напряжений прочность паяных соединений,
полученных с применением сварочных порошков, на срез соста-
вляет 120-160 МПа.
Создание оптимальной технологии пайки быстрорежущего
инструмента, совмещенной с его закалкой на серийном оборудо-
вании, применяющемся для термообработки быстрорежущего
инструмента, стало возможным только после разработки ВНИИин-
струмент и НПО „Тулачермет” порошкового самофлюсующего
припоя ПЖ60НХБ.
Этот припой предназначен для пайки быстрорежущего инстру-
мента по режиму пайка-закалка при температуре 1220 °C и выше,
температура плавления припоя 1170 °C. Припой обеспечивает
прочность на срез соединения быстрорежущих и конструкционных
сталей до 400-500 МПа.
Применение припоя в виде пасты делает его технологичным, а
высокие самофлюсующие свойства исключают применение флю-
сов при пайке в соляных ваннах. Его использование позволяет
довести экономию быстрорежущей стали на ряде видов инстру-
мента до 80-90 % по сравнению с цельными, сварными и клееными
конструкциями.
Металлографические исследования паяных швов, выполнен-
ных указанным припоем, показывают, что шов со стороны конст-
рукционной стали имеет тонкую (0,02-0,03 мм) полоску легирован-
ного феррита с микротвердостью 26-28 HRC3. Далее следует зона
мартенсита (61-63 HRC3) с включениями феррита (25-26 HRC3), за
которой следует переходная зона троостомартенсита (58-59 HRCS).
Быстрорежущая сталь, примыкающая к переходной зоне, имеет
структуру мартенсита мелкого строения и карбидов. Конструкци-
онная сталь, как правило, имеет структуру троостосорбита (см.
рис. 3.12).
По цвету паяные швы практически неотличимы от основных
материалов.
Припой может быть использован при пайке быстрорежущего
инструмента в соляных ваннах, на индукционных установках, в
печах с защитными газовыми средами или в вакууме. Он не загря-
зняет соляные ванны и другое оборудование, используемое для
пайки и термообработки, а также не загрязняет быстрорежущую
сталь при утилизации и переработке отходов инструмента.
Флюсы - неметаллические вещества, предназначенные для
защиты паяемых поверхностей основных материалов и припоя от
окисления, удаления с этих поверхностей дефектных, в том
числе оксидных, пленок, предотвращения их образования во
время пайки, снижения поверхностного натяжения расплава при-
поя и, иногда, для высаживания металлического слоя. При пайке
инструмента применяют, как правило, флюсы боридофторидной
группы.
Активность флюсов, обеспечивающая их служебные свойства,
проявляется в строго определенном температурном интервале их
жидкого состояния (расплава). Температура плавления флюсов
ниже температуры плавления припоев на 300-350 °C. В инструмен
тальном производстве при индукционной пайке или пайке элек-
тросопротивлением флюсы применяют в виде порошка или пасты.
Пайку серебряными припоями проводят с флюсами, интервал
активного действия которых 500-850 °C (табл. 3.23).
Температурный интервал активности флюсов явлется неотъ-
емлемой частью их характеристики и может быть определен с
помощью технологической пробы на растекаемость припоя. Такая
проба должна производиться при аттестации партии флюса после
его изготовления и может также служить показателем качества
флюса в производственных условиях.
Высокой активностью в указанном температурном интервале
обладает флюс Ф100. Он применяется при пайке на воздухе тру-
дносмачиваемых твердых сплавов Т15К6, Т30К4 и др. Результат
действия этого флюса - выделение чистых металлов (вольфрама и
кобальта) на паяемых поверхностях при температуре не ниже
1000 °C, поэтому его применение наиболее эффективно при пайке
припоем АНМц 06-4-2, имеющим температуру плавления 1020 °C.
При пайке инструмента припоями с меньшей температурой ликви-
дуса необходим перегрев до указанной температуры. В противном
случае активность флюса Ф100 не только не проявляется, но и про-
исходит ухудшение качества паяного соединения за счет непро-
паев, образующихся от неразложившихся компонентов флюса
3.23. Флюсы для пайки серебряными припоями
Марка Компоненты Массовая доля, % Температурный интервал активности, ’С
Tib 209 Фтористый калий (обезвоженный), фторборат калия, борный ангидрид 33-37 21-25 33-37 600-850
ПВ284 Фтористый калий (обезвоженный), фторборат калия, борный ангидрид 33-37 40-44 23-25 500-850
№ 18В Фтористый калий (обезвоженный), борная кислота 40 60 650-850
Ф71* Фтористый литий, фтористый калий, вода, фторборат калия 19-21 31-33 10-22 Ост. 500-700
Ф75* Фтористый калий, борный ангидрид, гидроокись лития, фторборат калия 14-16 10-12 0,5-1,5 Ост. 500-750
* Нестандартные флюсы специально для инструмента.
(пятна непропаев черного цвета видны при разрушении соедине-
ния).
Твердые флюсы могут быть использованы в виде порошка,
смесей с порошковыми припоями, в виде паст.
Пайку инструмента с применением порошковых флюсов Ф100 и
Ф100А следует проводить только при хорошей вытяжной, вентиля-
ции. Эти флюсы токсичны и применять их целесообразно в ком-
пактированном с порошковыми припоями виде (таблетки, лента и
т. д.). Все флюсы гигроскопичны, и хранить их следует в герметич-
ной таре.
Норма расхода флюсов при пайке на воздухе в среднем соста-
вляет 25-30 % массы припоя, идущего на образование паяного
-□единения, или 0,15-0,2 г на 1 см2 площади пайки. В табл. 3.24
приведены основные характеристики порошковых флюсов для
пайки твердосплавного инструмента с указанием формы и облас-
ти их применения.
Как правило, флюсы „Бура” и „Флюс ВНИИ” потребители гото-
вят сами, переплавляя компоненты и размалывая в ступе или
другим способом остывшую стекловидную массу. Но так как про-
водить эту операцию неудобно, применяют флюсы ПВ200 и ПВ201,
выпускаемые централизованно. Вместе с тем флюсы Ф100, ПВ200,
ПВ201, состоящие из пылевидной фракции, неудобны при ручном
Химический состав, %
Марка СогОз WO3 ЫазВдО? КВГ4 В2О3
Бура — — 100 — —
Флюе ВНИИ — 69-73 21-22
ПВ 200 — — 19-21 — 68-72
ПВ201 13-15 79-81
Ф100 2-3 14-16 32-36 Ост.
Температура, ’С Паяемые материалы
Добавки плавления активного действия Формы применения
— 741 800-1100 Порошок, смесь с флюсом Ф100, сме- си с порошковым припоем Твердые сплавы ВК
Фтористый кальций или натри» 5-10 620 800-1100 Порошок, смесь с порошковым при- поем Сплавы ВК и ТК после подготовки (шлифование, гал товка и т. д.)
Фтористый кальций 8-10 620-650 850-1150 Порошок, смесь с порошковыми при- поями, паста То же
Фтористый кальций 5-6, A!+Cu+Mg 0,4-0,6 620-650 850-1150 То же
620-650 850-1100 Порошок с при- поем в виде ленты, полосы и др., смесь с порошко- вым припоем в со- отношении 1:4, смесь с переплав- ленной бурой в со- отношении 1:1 Сплавы ТК
Продолжение, табл. Ъ ЗА
Марка Химический состав, % Температура, *С Формы применения Паяемые материалы
Со2<5з «Оз Na2B4°7 kbf4 в2°3 Добавки плавления активного действия
Ф100А 0,5-1 8-10 Ост. 8-10 Фтористый натрий 8-10 600-620 850-1050 Порошок с припо- ем в виде ленты, полосы и др„ смесь с порошковым при- поем в соотноше- нии 1:4, смесь с пе- реплавленной бу- рой в соотноше- нии 1:1 Сплавы ТК
Ф86 - - - — - - 600-620 800-1000 То же, в виде пасты Твердые сплавы
нанесении на паяемые поверхности, поэтому часто их смешиваю^
с порошковыми припоями или переплавленной и размолото^
бурой. Получила распространение смесь переплавленной буры с
флюсом Ф100 при соотношении 1:1. В этом случае сохраняется
активность флюса Ф100 и появляется возможность нанесения
флюса вручную.
Большинство флюсов для высокотемпературной пайки припо.
ями на медной основе пригодны при пайке никелевыми и желез,
ными припоями.
Газовые среды. При термической обработке, пайке находят
широкое применение печи и агрегаты с защитой обрабатываемых
деталей различными контролируемыми газовыми средами ц
вакуумом. Быстрое развитие этих процессов и соответствующего
оборудования обусловлено возможностью одновременной или
непрерывной обработки (пайки) групп или партий инструмента,
высокой чистотой поверхностей изделий после термической
обработки и пайки, возможностями механизации и автоматизации
всего производственного цикла: от загрузки деталей в печь до их
выгрузки, включая автоматическое поддержание заданного
режима обработки с высокой точностью.
Исскуственные среды, используемые для пайки инструмента,
делят на три типа: нейтральные, активные и вакуум.
Нейтральные газовые среды защищают основной материал и
припой от окисления в процессе пайки, не вступая в химическое
взаимодействие с ним. К нейтральным газовым средам относят
такие газы, как гелий, аргон, азот.
Активные газовые среды в процессе пайки вступают в химиче-
ское взаимодействие с основными материалами с удалением из
зоны пайки продуктов такого взаимодействия. Эти среды не
только защищают основные материалы и припой от окисления, но
и восстанавливают оксиды на паяемых поверхностях, что способст-
вует активации процесса пайки.
Вакуумная защита находит все большее распространение при
пайке инструмента, особенно оснащенного сверхтвердыми мате-
риалами. Удаление оксидных и других пленок при высокотемпе-
ратурном нагреве в вакууме и в нейтральных газах происходит за
счет диссоциации оксидов в бескислородной среде.
В общем случае, при повышении температуры и понижении
парциального давления кислорода повышается вероятность
диссоциации оксидов. Эти зависимости определяют ход процесса
пайки в нейтральных газовых средах и в вакууме. При пайке
инструмента в современных печах с защитной газовой средой
почти полностью отпадает необходимость применения флюсов и
исключаются операции очистки инструмента от наплывов флюсов
и окалины.
В табл. 3.25 и 3.26 приведены характеристики наиболее рас-
пространенных газовых сред, которые находят применение при
пайке инструмента в нашей стране и Германии.
3.25. Контролируемые газовые среды для пайки твердосплавного инструмента. в печах
Гип атмосферы Способ получения Обозначение Состав, % Точка ро- сы,"С
Н2 СО со2 сн4 N2
H2-H2O-CON2 Частичное сжигание углеводородных газов в эндотермическом ге нераторе ПС-0,25 ПС-3, (эндогаз} 40 20 до 1,5 Ост. (40) +5...-20
Н2-Н2О-со-ch4-n2 Конверсия метана КГУ-Н2О 75 25 - - Ост. +5...-20 (до -65)
co-co2-h2-h2o-n2 Частичное сжигание газов ПС-И; ПС-06 (экзогаз) 15-20 8-12 0.1-6,0 — Ост. +5...-40
n2-co-h2 Частичное сжигание газов i ПС-о (ПС-09) 2-4 2-4 0,1 - Ост. До -65
n2-h2 Очистка техническо- го азота в смеси с во- дородом A(Nj) 2-4 До1 До 0,1 — Ост. (85-95) До-75
СО—CO2“‘N2 Генераторные газы из древесного угля или антрацита ГГ, ГГ-80 До 6-8 25-34 До 2 До 1 Ост. +5...-20
H2'H2O-N2 Диссоциация амми- ака Частичное сжигание водорода, аммиака В-ДА ПСВ-а ПСА-0,8 75 7-25 7-20 — — — Ост. (25) То же а -40...-75 -40
Примечание. Восстановительные свойства газовой среды тем выше, чем ниже точка росы.
3.26. Газовые среды, применяемые в Германии для пайки инструмента
Марка Состав, % Точка, росы, •с 11аяемые материалы
СО со2 Н2 Н2о сн4 N2
Экзогаз II 8-15 4-7 10-18 0,6 0,6-1,2 Ост. 0 Легированные хромом и мар- ганцем стали, конструкционные стали
Moho-CHN 10-20 0.5 12-22 0,04 1 Ост. -50 Конструкционные стали, леги- рованные хромом и марганцем стали, благородные металлы
Крекинг-газ (NH3) — — 75 — Ост. Нелегированные стали, С <0,3 %, хромоникелемарганцовистые стали
Moho-HN - - 3-5 0,2 - Ост. -15 То же
Эндогаэ 15-25 0,5 23-50 — 1 25-63 (-10)- (+Ю) Конструкционные стали, высоколегированные стали
Аргон — - - - - - Используется в специальных случаях пайкн
Зависимость от содержания Н2О в аммиаке.
3.4. СПОСОБЫ ПАЙКИ ИНСТРУМЕНТА
В последнее время изменились представления о возможностях
способов пайки. Так, пайка электросопротивлением с прямым
нагревом твердого сплава, применение которой раньше считали
недопустимой из-за предполагаемого перегрева твердого сплава,
стала основным способом, обеспечивающим получение качествен-
ных соединений в дисковых пилах. Изменились также представ-
ления о возможностях пайки твердосплавного инструмента в
печах с защитной газовой средой, так как только этот способ
позволяет эффективно решить проблему механизации пайки
конструкций инструмента небольшого сечения. Приобретает все
большее распространение пайка с одновременной термообработ-
кой быстрорежущего инструмента в соляных ваннах.
При пайке инструмента используют готовые припои, поэтому
способы пайки классифицируют по виду нагрева, которые подраз-
деляют по методам защиты паяных соединений от окисления.
Для получения качественных соединений инструмента приемле-
ма только пайка припоями, имеющими температуру плавления
выше 600 °C.
Пайка электросопротивлением. Широкое распространение
нашла пайка электросопротивлением с прямым нагревом. Область
применения - дисковые пилы с пластинками твердого сплава на
зубьях, дисковые фрезы с толщиной корпуса до 5 мм, ленточные
пилы, отрезные резцы и др.
Преимущество этого способа пайки дисковых пил и фрез
заключается в локальном нагреве части зуба, несущего твердо-
сплавную пластину, что гарантирует корпус от коробления, твер-
дость которого после термообработки около 40 HRC3. При пайке
электросопротивлением нашли распространение флюсы на основе
стандартного флюса ПВ200, а также флюса Ф86, применение кото-
рого вместо флюса Ф100 сокращает брак по трещинам на 20-25 %
при пайке твердосплавных пластинок Т15К6 к корпусам дисковых
фрез из стали 50ХФА. К недостаткам способа следует отнести необ-
ходимость зачистки опорного электрода перед каждой пайкой.
Высокие свойства при пайке дисковых пил и фрез обеспечива-
ет применение порошковых компактированных припоев ПИ-12,
ПИ-16, ПИ-20.6, ПИ-25, ПИ-26.
Пайка погружением. Различают пайку инструмента погруже-
нием в расплавленный припой и пайку погружением в расплавлен-
ную соль. Первый способ нашел применение только для концевого
твердосплавного инструмента. Его преимущества: равномерный
контролируемый нагрев твердого сплава и хорошие условия фор-
мирования паяного шва, определяющие стабильность качества
соединений.
При оснащении вибросверл глубокого сверления малого диа-
метра пластинами • сплава ВК6 размером 0,7X3,7X4,8 мм только
Пайка погружением в расплавленный припой П102 обеспечила
сохранение свойств корпусов, выполненных из нагартованной
цельнотянутой трубки из сталей 08Х18Н10Т и 12Х18Н9Т. При этом
время групповой пайки 20 сверл составляет 5 с, паяные швы не
имеют дефектов, между твердосплавной пластиной и корпусом
образуется плавная галтель, припой имеет ровный желтый цвет,
зона термического влияния, ограниченная цветами побежалости,
не превышает 8 мм от вершины сверла. К недостаткам способа
следует отнести сложность фиксации твердосплавных пластин.
Пайка быстрорежущего инструмента погружением в расплав-
ленную соль получает широкое развитие благодаря разработке
новых порошковых самофлюсующих высокопрочных припоев типа
ПЖ60НХБ. Для пайки пригодны все виды соляных ванн (табл.
3.27 и 3.28) и закалочных полуавтоматических агрегатов. При
использовании соляных ванн в качестве источника нагрева инст-
румента под пайку, совмещенную с термической обработкой,
большое значение приобретает влияние припоя на ванну. Приме-
нение припоев на основе меди приводит к преждевременному
выходу ванн из строя, в то время припой ПЖ60НХБ частично
раскисляет соляные ванны.
Индукционная пайка. Основное оборудование для пайки
твердосплавного иснтрумента составляют установки индукцион-
ного нагрева ТВЧ. Интенсивность индукционного нагрева зависит
3.27. Автоматизированное оборудование для пайки-закалки
быстрорежущего инструмента
П ол уавтоматический агрегат Производительность, кг/ч Транспортное устройство
ТА-30 250 Автооператор
ТА-28 300 Автооператор
Т-1 1200 шт/ч (сверло диа- метром 12 мм) Рычажные перебросы
ТА-0,8 375 Автооператор
Т-2 1200 шт/ч (сверло диа- метром 12 мм) Конвейер
3.28. Технические характеристики соляных ванн для пайки-закалки
составного быстрорежущего инструмента
Электрованна Размеры зеркала ванны, мм Глубина тигля, мм Потреб- ляемая мощность, кВт Т рансформатор Напряже- ние на ра- бочей сту- пени, В
d D
СВС-1.3/13 100 220 550 45 ТПТ-63/17ПК 14,5
СВС-2.3/13 - - 500 100 ТПТ-160/21ПК 27,7 23,0
СВС-2.5/13 750 126
18,4
СВС-2.18/13 200 430 2050 134 ТПТ-250/21ПК 12,4
от характеристик генератора и индуктора (частота тока, напря-
женность поля, эффект близости и т. д.) и физических свойств
инструментальных и конструкционных материалов. Коэффициен-
ты теплового насыщения инструментальных материалов
Э, Дж/см2° С1/2:
Алмаз и твердый сплав ВК8 ...............................1,39
Сталь 45 отожженная......................................1,34
Сталь Р18 отожженная.....................................1,01
Твердый сплав Т15К6......................................1,22
Сталь Р18 закаленная и отпущенная........................0,84
Теплопроводность твердого сплава вольфрамовой группы в 1,5
раза выше теплопроводности конструкционной стали и в 3 раза
выше теплопроводности твердых сплавов титано-вольфрамовой
группы. С повышением содержания кобальта она несколько
возрастает. Удельное сопротивление твердого сплава титано-воль-
фрамовой группы в 2 раза выше, чем у твердого сплава вольфрамо-
вой группы. Температуропроводность твердого сплава Т15К6 в 3,5
раза меньше, чем у твердого сплава ВК6, чем объясняется низкая
термостойкость при нагреве сплавов титано-вольфрамовой группы
по сравнению со сплавами вольфрамовой группы.
Зависимость глубины прогрева инструмента выражается зави-
симостью х «(0,4...0,5)А, где А - глубина прогрева индуцированным
полем (рис. 3.15 и табл. 3.29), мм.
Оптимальная частота генератора/опт = 600/х2. За счет формы
индуктора и расстояния между его витками и корпусом инстру-
мента можно добиться равномерного нагрева сечения, подлежа-
щего пайке, при использовании ламповых генераторов с рабочей
частотой не более 66 кГц.
При пайке с последовательным нагревом каждого зуба тонко-
стенного инструмента (дисковых фрез, сверл диаметром до 6 мм)
допускается использование установок ТВЧ с частотой 440 кГц. Для
пайки инструмента, оснащенного большими твердосплавными
пластинами, предпочтительнее генераторы с частотой 2-8 кГц.
При пайке твердосплавного инструмента необходим равно-
мерный нагрев твердого сплава и корпуса инструмента в месте
пайки, поэтому индуктор должен нагревать наружные слои стали
и твердого сплава со скоростью, равной скорости передачи тепло-
ты во внутренние слои этих материалов. Кроме того, в зависимости
от марки сплава необходимо ограничивать скорость нагрева
Рис. 3.15. Зависимость глубины прогрева
* инструмента от времени нагрева
3.29. Глубина Д проникновения электрического тока
Материал Температура, •с ₽> 2 Ом•мм /м А, мм, при частоте тока, кГц
2 10 500
Сталь 20 0,18 0,7 0,30 0,042
1000 1,20 12,3 5,50 0,78
Медь 20 0,0175 1,49 0,66 0,094
650 0,0175 3,08 1,38 0,195
850 0,160 3,56 1,59 0,225
Латунь 20 0,068 2,93 1,31 0,190
600 0,140 4,21 1,88 0,266
800 0,186 4,85 2,17 0,306
40-100 °С/с. Такая скорость обеспечивается при зазоре 8-15 мм
между индуктором и нагреваемым инструментом. Показателем
неравномерности нагрева инструмента может служить недопусти-
мый при пайке „полосчатый нагрев”, проявляющийся тем резче,
чем меньше зазор между инструментом и индуктором.
Пайка в печах. Широко применяется пайка в печах с газовой
средой, которая характеризуется равномерным нагревом, обеспе-
чивающим минимальные деформации, чистой поверхностью
паяных деталей, высокой производительностью, стабильностью
качества паяных соединений. Пайка в печах непрерывного дейст-
вия с восстановительной атмосферой обеспечивает автоматиза-
цию процесса без загрязнения окружающей среды. Особенно
целесообразно применение этого способа при пайке тонкостенно-
го многолезвийного инструмента (кольцевые сверла, буровые
коронки и др.) и инструмента, где количество твердого сплава
велико относительно массы корпуса инструмента (ножи к сборным
фрезам, резцы и др.).
Исследованиями установлено:
термическая обработка твердого сплава при пайке в печах
может способствовать стабилизации прочности твердосплавных
пластин, что выражается в уменьшении разброса и увеличении
прочности на изгиб по сравнению с аналогичной характеристикой
твердого сплава в состоянии поставки;
пайка в печах твердых сплавов со сталями позволяет получить
соединения высокой и стабильной прочности, тср = 220...300 МПа;
вид и состав восстановительных атмосфер не влияет на образо-
вание паяных швов, что позволяет использовать дешевые эндога-
зовые среды;
активность взаимодействия компонентов припоев с соединя-
емыми материалами зависит в основном от температуры и дли-
тельности пайки;
групповая пайка инструмента даже при использовании камер-
ных печей и печей периодического действия позволяет повысить
производительность труда, при пайке в печах типа СКЗ производи-
Рис. 3.16. Печи непрерывного действия:
а — с конвейером; б — с роликовым подом; в — с толкателем
тельность увеличивается в 10-12 раз по сравнению с индукцион-
ной;
пайка в печах с контролируемой атмосферой открывает широ-
кие возможности для механизации производства. Печи непрерыв-
ного действия приведены на рис. 3.16. Для серийного инструмен-
тального производства применимы печи СКЗ 4.20.1,5/11,5-Х45М1 и
СКЗ 8.50.3,5/11,5-Х 100М1.
Широкое распространение приобретает пайка в печи с приме-
нением вакуума для соединения деталей из сталей, сплавов и
неметаллических материалов. При этом возможна термообработка
быстрорежущего инструмента. Нет технических трудностей полу-
чения высокопрочных соединений быстрорежущих и конструкци-
онных сталей припоями типа ПЖ60НХБ в вакуумных печах. При
этом пайка-закалка проходит так же, как в соляных ваннах, но
возникает необходимость в дополнительной очистке заготовок
перед загрузкой.
При изготовлении паяного инструмента, оснащенного компо-
зитом, вакуумная пайка играет преобладающую роль, поскольку
можно получить паяные соединения поликристаллов на основе
алмазов, кубического нитрида бора с наименьшими потерями,
применяя активные припои, которые содержат значительные
количества титана, циркония, марганца и легко окисляются в
Других средах.
Прочность паяных соединений композитов со сталями с приме-
нением припоев типа ПЭИ-3 равна прочности поликристаллов.
Пайку проводят в вакууме при 800-900 °C. При таком режиме даже
Гексанит-Р не претерпевает структурных превращений, а те поли-
кристаллы, которые изменяют фазовый состав, обладают низкими
режущими свойствами, т. е. пайка композита в вакууме является
еще и контрольной операцией поликристаллов.
3.5. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ПАЙКИ ИНСТРУМЕНТА
Пайка твердосплавного инструмента. На интенсивность поло-
мок твердого сплава оказывает большое влияние интенсивность
изнашивания режущей кромки инструмента до ее критической
величины, прочность и жесткость корпуса и соединения. Уста-
лость паяного шва часто также влияет на стойкость инструмента.
При обработке малоабразивных материалов на легких режимах
паяный шов подвергается циклической нагрузке в 5-6 раз боль-
шей, чем при работе на форсированных режимах. Следовательно,
припои для пайки инструмента, испытывающего большие цикли-
ческие нагрузки, и припои для инструмента, работающего в усло-
виях тяжелых силовых нагрузок, должны быть разными. Для
пайки инструмента, работающего в условиях незначительного
нагрева, малых статических нагрузках, но при высокой их циклич-
ности, вызывающей усталостное разрушение паяных швов, пред-
почтительнее использовать серебряные припои. На практике чаще
всего происходит поломка либо инструментального материала,
либо корпуса инструмента (державки), работающего при высоких
нагрузках от резания и повышенных температурах. В этих случаях
необходимая прочность соединений на срез не ниже тср = 100 МПа, 1
которую обеспечивают только высокотемпературные припои.
Кроме того, применение высокотемпературных припоев позволяет
совмещать пайку твердосплавного инструмента с упрочнением его ।
корпуса сопутствующей термической обработкой, что невозможно
при использовании серебряных припоев.
Наглядной характеристикой механических свойств паяных
соединений твердого сплава со сталью служит прочность при их
термоциклировании с нагревом на рабочие температуры инстру-
мента с последующим охлаждением до 20 °C. На рис. 3.17 приведе-
на зависимость прочности соединений, паянных в одинаковых
условиях припоями марок Ш18, ПИ12, МНМц 68-4-2 и медью Ml
(кривые 1-4 соответственно) от числа циклов нагрева до темпера-
туры 200, 400, 600 °C и охлаждения на воздухе до 20 °C.
Этот вид испытаний, моделирующий условия работы инстру-
мента при указанных температурах, показал:
паяное соединение инструмента подвержено термической
усталости, которая проявляется в снижении прочности за счет их
окисления;
термоусталость паяных швов различна; наибольшую термо-
стойкость имеют припои ПИ8, затем ПИ12; припой МНМц 68-4-2
обладает низкой термостойкостью;
инструмент, работающий при температурно-силовой цикли-
ческой нагрузке, следует изготовлять преимущественно с приме-
нением припоев ПИ8 и ПИ 12.
рис. 3.17. Зависимость прочности соедине-
ний при срезе твердого сплава ВК6 со
сталью 40 X от числа циклов N термоцикли-
рования
При выборе припоев для пай-
ки твердосплавного инструмента
необходима предварительная
оценка прочности паяного соеди-
нения по прочности на срез тср. С
этой целью можно использовать
справочные данные о прочности
припоев на растяжение ов (табл.
3.30), так как имеется зависи-
мость
b = V°b = М5...0.8.
Для предотвращения остаточ-
ных напряжений необходимо вы-
бирать припои, которые обеспе-
чивают гарантированную толщи-
ну паяного шва и являются до-
статочно жесткими для переда-
чи без его деформации усилия на
корпус. К таким припоям относят
порошковые припои, содержащие
прочную тугоплавкую составля-
ющую, размер которой и определяет толщину паяного шва.
Толщина паяного шва оказывает большое влияние на свойства
инструмента при всех видах нагрузок и на остаточные напряжения
в режущем элементе. Сборочный зазор во многом определяет
результаты пайки. От его размера зависят время и полнота взаимо-
действия припоя с основными материалами в режиме пайки,
3.30. Зависимость между прочностью припоя на растяжение 0В и средней
прочностью на срез паяных соединений твердого сплава со сталью
ЯР
Припой °в тср т^/о_ ср в
М Па
Л63 343 167 0,46
ПСр44 471 213 0,45
ЛМцЖ 57-1,5-0,75 441 206 0,46
БрКоМц 3-10 422 226 0,54
МНМц 68-4-2 373 206 0,54
АНМц 06-4-2 265 235 0,8
вероятность непропаев и других дефектов, толщина паяного шва и
его прочность.
Зазор меняется в процессе пайки в зависимости от конструк.
ции соединения, его размеров, физико-механических свойств
паяемых материалов, прежде всего их КЛТР, интенсивности
диффузионных процессов.
В процессе пайки нагрев и охлаждение соединяемых разнород.
ных материалов сопровождается изменением их размеров в соот-
ветствии с температурой и коэффициентом линейного расшире-
ния. Поэтому при охлаждении припоя и основных материалов
происходит их совместная деформация, начиная с температуры
солидуса материала шва, причем чем ниже эта температура, тем
меньше совместная деформация, тем меньше остаточные напря-
жения.
На прочность паяных соединений при нормальных и повышен-
ных температурах оказывает также влияние масштабный фактор,
т. е. размеры соединений и протяженность шва.
Оптимальной можно считать толщину паяного шва (0,25 —
0,35 мм), которая обеспечивает высокую прочность соединения и
минимальную деформацию режущего инструмента.
Для получения оптимальной толщины шва используют раз-
личные средства и приемы. В производстве породоразрушающего
твердосплавного инструмента,
например, применяют специ-
альные пластины с уже сфор-
мированными при их изготов-
лении опорными точками, фик-
сирующими толщину паяного
шва около 0,3 мм. За рубежом
применяют трехслойный при-
пой Degussa 49/Cu, обеспечива-
ющий оптимальную толщину
паяных швов около 0,3 мм. В
нашей стране применяют
порошковые припои П100,
ПИ-12, П102, ПИ-8 и др. с туго-
плавким наполнителем, обес-
печивающие помимо оптималь-
ной толидины шва компенса-
цию кривизны режущих эле-
Рис. 3.18. Изменение относительной
длины образца в зависимости от темпе-
ратуры:
1 — медь бескислородная: 2 — коррози-
онно-стойкая сталь; 3 - сталь; 4 - твер-
дый сплав; 5 — графит
центов. Используют также различные прокладки в виде фольги,
ленты, сетки.
При проектировании телескопических соединений инструмен-
та оптимальный зазор можно определить по формуле
△CD= DAtfa2-a1),
где ACD - изменение зазора, мм; D - номинальный диаметр шва,
мм; At - разница между температурами солидуса припоя и комнат-
ной, °C; Ир а2 - коэффициенты линейного расширения внутренне-
го элемента и наружной детали, м^/(мм • °C).
Для определения 10 удобно пользоваться графиком (рис. 3.18).
Наиболее опасным видом непропая является непропай под
режущей кромкой. В этом случае разрушение режущей пластинки,
как правило, наступает в самом начале эксплуатации. Коробле-
ние пластин, как и неплоскостность пазов корпуса под них, ведет
к разнотолщинности паяных швов, что является одной из причин
напряженного состояния твердого сплава, которое не поддается
учету, расчету и прогнозированию по современным методикам.
Эти же факторы определяют и значительное колебание припусков
на шлифование, что приводит к возникновению трещин в твердом
сплаве при обработке инструмента групповым способом.
Поверхность пластин из спеченных твердых сплавов, особенно
при индукционной пайке и пайке электросопротивлением, не
должна иметь дефектных слоев темно-серого и черного цвета,
состоящих из карбидов и свободного углерода и значительно
затрудняющих процессы смачивания паяемых поверхностей
пластин расплавленными припоями при оптимальных режимах
пайки.
При указанных способах пайки стремление добиться смачива-
ния припоем твердых сплавов с поверхностными дефектами часто
приводит к перегреву твердого сплава, что значительно ухудшает
его эксплуатационные свойства и ведет к образованию трещин.
Применение активных флюсов Ф100 и Ф100А далеко не всегда
исключает непропай.
Дефектные поверхностные слои удаляют различными способа-
ми: шлифованием, галтовкой в абразивных средах, окислением с
последующей галтовкой, декапированием и др.
При пайке инструмента в печах с (восстановительной или
нейтральной) газовой средой дефекты поверхности не оказывают
существенного влияния на смачивание их расплавленными при-
поями и поэтому допускаются. Отпадает необходимость специаль-
ной предварительной очистки поверхностей твердосплавных плас-
тин, что значительно упрощает технологический процесс.
Влияние флюсов и припоев на прочность инструмента. Темпе-
ратура пайки, скорость охлаждения после нагрева, флюсы и при-
пои в значительной мере определяют прочность и стойкость ин-
струмента при эксплуатации.
3.31. Рекомендуемые припои для различных способов пайки
твердосплавного инструмента
Способ пайки
Индукционная
В печи с газовой средой
Погружением в расплавленную соль
Пайка электросопротивлением
Марка припоя
ПИ-12; ПИ-8; П102; П100; ПИ-20,6; ПИ-25
ПРМНц 68-4-2; ЛМцЖ 57-1,5-0,75
П102, ПИ-8
ПИ-20,6
ПИ-12, самофлюсующая паяльная лента
Рекомендации по выбору припоев в зависимости от способа
пайки приведены в табл. 3.31.
Подготовка корпуса инструмента. Корпус инструмента изгото-
вляют из стали 45, сталей 40Х, 40ХГНМ, 40ХНМА, 20ХГНМ, 35ХГСА,
ХВГ, ХВ1Г, 9ХС, 9ХФ. Если по условиям эксплуатации к твердости
и прочности корпуса инструмента предъявляются особые требова-
ния, то при использовании сталей 45, 40Х, 35ХГСА, 20ХГНМ прово-
дится закалка непосредственно после пайки с использованием
теплоты, полученной при пайке инструмента, или дополнитель-
ная термическая обработка по режимам, установленным для
каждой марки. Стали 45, 40Х закаливаются в воде с температурой
40-50 °C, а стали марок 35ХГСА и 20ХГНМ - на воздухе и при
охлаждении в холодильнике конвейерной электропечи. При
использовании контейнеров скорость охлаждения можно регули-
ровать за счет дозированной подачи защитного газа.
Подготовка к пайке и сборка инструмента. Корпус и паз под
пластинку перед пайкой очищают от оксидов с помощью дробе-
струйной обработки, от остатков масел, эмульсии и других загря-
знений — промывкой в 5—10 %-ном растворе каустической соды и
последующей сушкой.
При пайке инструмента в печах и контейнерах с защитной
атмосферой сборку инструмента осуществляют с помощью паяль-
ной пасты „СПИН”, обладающей клеющими свойствами. Для этого
в паз корпуса наносят пасту из расчета 0,5 г/см2 паяемой поверхно-
сти, устанавливают на слой пасты твердосплавную пластину и с
силой прижимают опорной поверхностью к гнезду. При этом часть
пасты, вытесненная за бортик паза, служит питателем припоя при
его расплавлении и заполнении зазора. После высыхания пасты в
течение 10-15 мин собранное соединение пригодно к транспорти-
ровке для загрузки в поддоны.
Сборку сверл для обработки стали и бетона, оснащенных
пластинками твердого сплава, проводят заблаговременно, уста-
навливают в приспособления с таким расчетом, чтобы пластинка
располагалась горизонтально (рис. 3.19, а) или с наклоном (рис.
3.19, б).
Если при пайке резцов и однолезвийного инструмента не
производится предварительной сборки, то при пайке многолезвий-
ного инструмента, т. е. при одновременной пайке всех пластинок
Рис. 3.19. Горизонтальное (а) и наклон-
ное (б) расположение сверл при пайке в
оснастке
твердого сплава, обязательны их сборка и предварительное закре-
пление в корпусе инструмента.
Существуют различные способы предварительного закрепле-
ния пластин: с помощью штифтов, клиньев, обвязка асбестовым
шнуром, крепление технологической стенкой, зачеканкой пласти-
ны в закрытом пазу, а также компенсационными прокладками и
припоем, фольгой с помощью точечной сварки.
При индукционной пайке сборку инструмента начинают до
установки его в индуктор.
При пайке однолезвийного инструмента (резцы, ножи к сбор-
ным фрезам) сборку производят непосредственно у рабочего
места паяльщика или на рабочем месте. Для этого на доску или
вращающийся стол укладывают партию державок, подготавлива-
ют твердосплавные пластины, припой, флюс или компактирован-
ные таблетки или ленту и собирают инструмент.
При пайке ленточным припоем сборку производят в такой
последовательности: наносят флюс на опорные поверхности пазов; *
укладывают пластины припоя, посыпают их флюсом; на припой и
флюс устанавливают пластину твердого сплава и посыпают место
соединения флюсом.
При применении компенсационных прокладок их устанавли-
вают между двумя пластинами припоя, соблюдая указанную
выше последовательность сборки.
При сборке под пайку компактированной паяльной смесью
твердосплавную пластину устанавливают на припой, расположен-
ный на опорной поверхности паза.
При пайке сопротивлением сборку производят непосредствен-
но в процессе пайки, устанавливая твердосплавную пластину с
нанесенным на поверхность флюсом-пастой или без него на элект-
род-фиксатор. Затем к контактной поверхности пластинки подво-
дят гнездо корпуса пилы, осуществляют прижим с усилием 20-30
МПа и включают ток. Ток проходит через место контакта твердого
сплава с корпусом, нагревает его, флюс плавится. Затем в зону
нагрева вводится припой в виде полосы или проволоки диаметром
1,0-1,5 мм. Плавление припоя происходит одновременно с его
затеканием в зазор и образованием паяного шва. Процесс сборки и
пайки упрощается, если используется самофлюсующаяся паяль-
ная лента, расположенная на контактной поверхности твердого
сплава,вводимая в зону пайки после нагрева твердого сплава.
При пайке в печах и контейнерах сборка инструмента заключа-
ется в нанесении паяльной пасты в гнезда корпуса, установке и
фиксировании в гнездах твердосплавных пластин, сушке собран-
ного инструмента на воздухе до затвердевания припоя (15-20 мин)
для облегчения его транспортирования. По мере сборки инстру-
мент устанавливают или укладывают на поддоны из листовой
стали с размерами, не превышающими ширину ленточного кон-
вейера, пода печи или дна контейнера. Поддоны с уложенным на
них инструментом помещаются в камеру, на конвейер печи или в
контейнер.
При индукционной пайке конструкций индуктора должна
обеспечивать равномерный нагрев зоны пайки корпуса инструмен-
та и исключать перегрев твердосплавных пластин. Для нагрева
каждого вида инструмента следует применять специальные
индукторы. Индуктор должен быть установлен таким образом,
чтобы его участки проходили вдоль плоскостей пайки. Зазор
между индуктором и паяемой заготовкой должен быть не менее
5 мм; равномерность нагрева повышается с увеличением зазора.
Скорость нагрева твердого сплава при пайке не должна превы-
шать допустимую. Время нагрева одного лезвия
~ 1’5 1'пл.п/,удоп>
где Тпл п - температура плавления припоя, °C; удоп - допустимая
скорость нагрева твердого сплава, °С/с.
Скорости нагрева не должны значительно отличаться в сре-
динной и периферийной части твердосплавных пластин. При
визуальном контроле процесса нагрева несложно наблюдать и
контролировать равномерность нагрева поверхности пластин.
Среднюю скорость нагрева определяют как отношение средней
температуры пайки (контролируется температурой плавления
припоя +50 °C) к общему времени нагрева под пайку.
Не допускается полосчатый нагрев, который приводит к обра-
зованию поперечных трещин на режущих пластинах. Для обеспе-
чения равномерного нагрева иногда целесообразно в процессе
нагрева изменять положение инструмента в индукторе или пери-
одически включать и выключать ток. Причем в начале нагрева
3.32. Оборудование для пайки твердосплавного инструмента
Оборудование Паяемый инструмент Пр оизвод ство
Индукционные уста- новки с частотой 66; 8; 2,4 кГц Индукционные уста- новки с частотой 440 кГц Кроме тонкостенного сложной формы (например, эжекторные сверла) Мелкоразмерный инструмент, кроме тонкостенного сложной формы (например, эжектор- ные сверла) с сечением твер- досплавных пластин не более 15 мм2 Серийное
Примечание. Тонкостенный инструмент сложной формы, например эжек-
торных сверл, следует паять в печах с газовой средой или в вакууме.
температура корпуса инструмента должна быть выше температуры
пластины. Окончание нагрева определяют визуально по расплав-
лению припоя, смачиванию им твердого сплава и заполнению
зазора. При индукционной пайке выдержка припоя в расплавлен-
ном состоянии составляет в среднем 3-5 с.
Оборудование для пайки выбирают по мощности и частоте
(табл. 3.32).
После окончания нагрева инструмент вынимают из индуктора
и охлаждают на воздухе или производят закалку корпуса. При
закалке нужно погружать инструмент в воду так, чтобы уровень ее
не доходил до твердосплавной пластины на 3-5 мм. Наилучший
результат получают при закалке корпуса отрезных резцов.
Использование для изготовления корпуса стали 35ХГСА
(ЗОХГСА) позволяет совместить операцию пайки с закалкой ин-
струмента на воздухе. При этом одним из условий получения
соединений с низкими остаточными напряжениями растяжения
на рабочей поверхности твердого сплава является полный переход
исходной структуры материала державки в аустенит, а затем в
мартенсит.
Пайка быстрорежущего инструмента. Типовой технологичес-
кий процесс изготовления составного паяного быстрорежущего
инструмента включает:
изготовление корпусов инструмента;
изготовление режущих элементов;
пайку, совмещенную с термообработкой по режиму быстроре-
жущей стали;
механическую обработку;
контроль качества паяных соединений и термической обра-
ботки.
При изготовлении многолезвийного инструмента пазы под пла-
стины фрезеруются, параметр шероховатости Rz = 40...80 мкм.
Допускаемое отклонение ширины пазов ±0,05 мм. Отклонения от
параллельности стенок паза должны находиться в пределах
допуска на ширину паза, а глибина паза на заделку пластины
должна составлять приблизительно 0,3 высоты задней (опорной)
поверхности паза.
При изготовлении резцов различных типов гнезда под быстро,
режущие пластинки должны соответствовать форме и размерам
пластин. Отклонение от плоскостности опорных поверхностей
гнезд допускается не более ±0,05 мм, Rz = 40...80.
Предпочтительным видом заготовки для изготовления режу,
щих элементов является полоса из быстрорежущей стали. Окон-
чательную механическую обработку режущих элементов перед
пайкой производят по чертежу с учетом припуска по обезугле-
роженному слою (для горячекатаной полосы), равного 1,5 мм на
сторону. Допускаемое отклонение толщины пластин 0,03 мм.
Параметр шероховатости посадочных поверхностей Rz = 40 мкм.
Карбидная неоднородность микроструктуры заготовок не
должна превышать второго балла.
Перед сборкой многолезвийного инструмента режущие эле-
менты визуально контролируют на наличие трещин, волосовин и
других дефектов по остаткам в них керосина. Корпус и режущие
элементы должны бать сухими и не иметь следов коррозии и
масляных пятен. Припой (паста ПЖ60НХБ) перед нанесением на
паяемые поверхности должен быть тщательно перемешан шпате-
лем вручную или механической мешалкой вертикального типа до
получения равномерной (без комков и следов расслоения) консис-
тенции по всему объему емкости, в которой он хранился. Пасту
можно перемешивать с помощью крыльчатой мешалки на свер-
лильном станке или другом устройстве аналогичного действия при
любой частоте вращения шпинделя, но не более 800 мин-1. Время
перемешивания упаковки припоя не менее 3 мин.
При изготовлении паяльной пасты у потребителя припой
смешивают со связкой примерно в соотношении, %: припой 70,
связка 30. В качестве связки используют клеи на фенолформаль-
дегидной основе. Смешивание производят в чистой металличе-
ской или полиэтиленовой таре. Вместимость тары выбирают из
потребности пасты на смену. В герметичном состоянии паста
сохраняется длительное время (больше года). При загустевании
пасту можно разбавить этиловым спиртом или ацетоном.
На паяемые поверхности корпуса и (или) режущих элементов
наносят пастообразный припой ПЖ60НХБ с помощью кисти. Ра-
сход припоя - 0,5 г/см2 паяемой поверхности.
Режущие элементы устанавливают в паз и запрессовывают или
забивают молотком вручную, обжимают или крепят по передней
стенке паза. Запрессовку режущих элементов в пазы производят
при наличии уклонов на нижней части элементов.
Технологическая оснастка для пайки инструмента по кон-
струкциям и материалам не отличается или незначительно отли-
дается от оснастки, применяемой для термической обработки
быстрорежущего инструмента. Для пайки большинства видов
инструмента используют многоместные приспособления.
В случае необходимости конструируют новую оснастку. При
этом нужно стремиться к созданию условий образования паяных
соединений при самоустановке режущих пластин под действием
силы тяжести или дополнительного усилия, создаваемого клино-
вым или пружинным поджимом.
Допускается при пайке погружать клиновые поджимы в рас-
плав соли. Пружинные поджимы следует располагать на таком
расстоянии от зеркала ванны, чтобы при оптимальных режимах
пайки не происходил их отпуск. Клиновые поджимы предпочти-
тельнее для многолезвийного инструмента типа фрез, пружинные
поджимы - для концевого инструмента.
Для упрощения сборки целесообразно принимать конструкции
паяных соединений многолезвийного инструмента, обеспечива-
ющие предварительную фиксацию режущих элементов.
Пайку-закалку можно проводить как в отдельных соляных
ваннах типа СВС-13, так и на автоматизированных закалочных
агрегатах и линиях. Режимы пайки, как правило, соответствуют
режимам термической обработки цельного быстрорежущего инст-
румента.
Требования к раскислению соляных ванн при пайке анало-
гичны этим требованиям при термической обработке. Наилучшим
раскислителем является фтористый магний.
При пайке инструмента в ваннах следует руководствоваться
методическими рекомендациями ВНИИинструмента по термиче-
ской обработке.
Прочность на срез соединений, паянных припоем-пастой
ПЖ60НХБ, находится в зависимости от вида паяного соединения,
характера подготовки его под пайку и марки быстрорежущей
стали. При пайке инструмента с режущими элементами из стали
Р18 прочность на срез не ниже 400-500 МПа.
ГЛАВА 4. КЛЕЕНЫЙ ИНСТРУМЕНТ
4.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Клеевое крепление режущих элементов в корпусе инструмента
(табл. 4.1) целесообразно применять:
с целью сохранения исходных физико-механических свойств
материала инструмента;
для повышения надежности соединения (по сравнению с
механическим креплением) и снижения трудоемкости изготовле-
ния инструмента за счет применения клеемеханических конст-
рукций;
при необходимости соединения деталей инструментов без
нагрева;
при невозможности получения неразъемного соединения
другими способами.
Чтобы определить возможность применения клеевого соеди-
нения в режущем инструменте, необходимо учитывать: температу-
ру в зоне соединения; силы резания, действующие на режущий
элемент, и площадь клеевого шва.
В первом приближении надежность клеевых режущих инстру-
ментов можно оценить по косвенным параметрам, которые харак-
теризуют силовые и температурные нагрузки на клеевое соедине-
ние, возникающие в процессе резания.
Комплексным критерием прочности режущего инструмента
является наибольший объем материала, срезаемого в единицу
времени. Параметром, определяющим тепловую нагрузку на клее-
вое соединение, является наименьшее расстояние от режущей
кромки до клеевого шва или толщина пластины инструменталь-
ного материала.
В качестве критерия надежности клееных инструментов реко-
мендуется использовать предложенный авторами коэффици-
ент работоспособности
К = F 1/V
*'р Х КЛ1' V
где FKn — площадь клеевого шва; I — наименьшее расстояние от
режущей кромки до клеевого шва (толщина пластины); VM -объем
материала, срезаемого за 1 с.
4.1. Клееные режущие инструменты
Инструмент Режущий элемент Соединение Клей
Материал Форма
Резцы: Инструмент обшего назначения
Твердые сплавы (ТС) Стержень Телескопическое „Инструментол”,
расточные Керамика Пластина Пазовое УП-5-207 и ЭНБС
Композиты Вставка Пазовое ВК-20 и ТК-78
призматические фасонные Б ыстрор ежущие стали (БС) У-образная призма Клиновое ВК-31; УП-5-207 и ЭНБС
с механическим крепле- нием режущего элемента и приклеенным сепарато- ром (фиксатором) Конструкционная сталь Пластина Плоскостное ЭНБС; „Инструментол” и ВК-36
Фрезы: прорезные БС Лиек Клёерезьбовое УП-5-207 и ЭНБС
дисковые двух- и трехсторонние БСиТС Пластина Пазовое УП-5-207; ЭНБС и ТК-78
концевые (с цельной ре- жущей частью) ТС Стержень Телескопическое ТК-78 и ВК-20
чашечные ТС Пластина Пазовое ТК-78; УП-5-207; ЭНБС и „Инструментол”
Протяжки: плоские и БС Секция-полоса Пазовое продольное ВК-31; БЭН-50П и ВК-36
Инструмент Режущий элемент Соединение Клей
Материал Форма
шпоночные ТС Пластина Пазовое поперечное УП-5-207 и ЭНБС
круглые БС Втулка Т елескопическое УП-5-207; ВК-9 и ТКЛ-75
шлицевые Секция-полоса Пазовое продольное ВК-31; БЭН-50П и ВК.36
Инструмент для обработки отверстий
Спиральные сверла с цель- ной режущей частью ТС Стержень Телескопическое ТК-78; УП-5-207 и ЭНБС
Зенкеры насадные ТС Пластина Пазовое ТК-78
БС Пластина Пазовое ТК-78; УП-5-207 и ЭНБС
Зенковки конические и тор- цовые ТС Пластина Пазовое ТК-78; УП-5-207 и ЭНБС
Развертки машинные ТС, БС и керамика Пластина Пазовое УП-5-207; ЭНБС и ТК-78
Композит Вставка Пазовое ВК-20
Фрезы червячные с моду- лем т, мм: 0,3-1 Инет ТС и керамика рументдля .зубообра Пластина ботки Пазовое УП-5-207; „Инструментол”
и ЭНБС
1-10 БС
10-30 ТС
БС
Долбяки хвостовые, чашеч- ные и втулочные БС
Шеверы дисковые БС
Обкатники дисковые ТС
Метчики: машинно- ручные ТС
БС
гаечные БС
Плашки круглые БСиТС
Фрезы гребенчатые БСиТС
Резцы: стержневые ТС
дисковые ТС
Ножи: дереворежущие для фрез ТС
Г-образный профиль Пазовое УП-5-207 и ЭНБС
Пластина Пазовое УП-5-207 и ЭНБС
Секция УП-5-207; ВК-31; БЭН50П
Венец,кольцо Коническое ВК-31 и ЭНБС
Пластина Пазовое ВК-31; ЭНБС; ВК-36 и БЭН50П
Пластина Пазовое ВК-31; БЭН50П иВК-36
Пластина Пазовое УП-5-207; ТК-78 и ЭНБС
Г-обраэный профиль
Стержень Телескопическое клеемеханическое УП-5-207; „Инструментол”; ЭНБС и ТК Л-75
Пластина Пазовое УП-5-207;,Инструментол”; ЭНБС и ТКЛ-75
Пластина, Г-образный профиль Пазовое УП-5-207; .Инструментол” и ЭНБС
Пластина Пазовое закрытое ТК-78; УП-5-207; ЭНБС
Диск Цилиндрическое УП-5-207 и ЭНБС
Пластина Плоскостное ВК-31; УП-5-207; БЭН50ПиВК-36
Инструмент Режущий элемент Соединение Клей
Материал Форма
для резки бумаги и ткани ТС Пластина Плоскостное ВК-31; УП-5-207; БЭН50П и ВК-36
Зубила для насечки зубьев напильников ТС Пластина Пазовое ВК-31; УП-5-207; БЭН50П и ВК-36
Напильники плоские ТС Пластина Плоскостное ВК-31; УП-5-207; ВК-36; БЭН50П и ВК-36
Хоны алмазные и абразив- ные Алмазоносный сос- тав Брусок Пазовое УП-5-207 и ЭНБС
Шлифовальные круги эльбо- ровые Композиционный состав Кольцо Плоскостное УП-5-207
Шлифовальные ленты То же Брусок Плоскостное ВК-31, ВК-36
Шлифголовки н Фасонная форма Телескопическое „Инструментол”, ЭНБС и УП-5-207
Штампы гибочные и выруб- ные тс Пластина Плоскостное кле- емеханическое ВК-31, БЭН50П и ВК-36
Ножи поддерживающие для бесцентрового шлифования тс Пластина Пазовое УП-5-207; ЭНБС и „Инструментол”
рис. 4.1. Номограмма для оценки надеж-
ности клееного инструмента
Ю00
tOO
, fi fl, с
9000
6000
1200
1100
1000
900
ООО
700
000
500
400
300
50
700
500
tooo
нов
2ВВб~.^^оо
При Кр > 100 применение клее-
вых соединений предпочтительно,
причем при Кр > 300 возможно
использование клеев холодного
отверждения (термостойкость до
150 °C). При 20 < Кр < 100 необхо-
димо применять высокопрочные
конструкционные клеи горячего
отверждения (термостойкость
170-300 °C). При 1 < Кр < 20 для уве-
личения надежности соединения
необходимо применять клееме-
ханические конструкции, в кото-
рых нагрузку воспринимают упо-
ры, резьба, штифты, шпонки и т. п.
На стадии проектирования соединения для предварительной
оценки надежности клееных инструментов рекомендуется пользо-
ваться номограммой (рис. 4.1). Она позволяет, задавая конструк-
тивные параметры (площадь FKn клеевого шва и расстояние 1 От ре-
жущей кромки до клеевого соединения), определить максималь-
ный объем VM материала, срезаемого в единицу времени.
Пример. Дано расстояние от режущей кромки до клеевого шва
I = 20 мм, площадь шва FKn = 200 мм2. Необходимо определить
максимальный объем материала, срезаемого в 1 с.
На монограмме откладываем на соответствующих осях значе-
ния заданных конструктивных параметров: / = 20 мм и FKn = 200мм2,
соединяем эти точки прямой линией 1. Точка пересечения этой
линии с осью VM дает искомую величину Vu = 360 мм3/с.
По этой номограмме можно решить и обратную задачу - опре-
делить необходимые конструктивные параметры клеевого соеди-
нения по заданному максимальному объему срезаемого матери-
ала.
Пример. Дано расстояние от режущей кромки до клеевого шва
I = 10 мм и объем материала, срезаемого в 1 с, Ги = 470 мм3/с. Тре-
буется определить Минимальную площадь соединения.
Откладываем на соответствующих осях значения заданных
параметров / = 10 мм и Vu = 470 мм3/с, соединяем эти точки пря-
мой линией и продлеваем ее до пересечения с осью Гкл. Точка
пересечения дает искомое значение минимальной площади
соединения FKn = 700 мм2.
Номограмма не учитывает конструкцию соединения, форму
режущего элемента, характер нагрузки, свойства клея, инструмен-
тального и обрабатываемого материала, условия обработки. Эти
Рис. 4.2. Схема проектирования клеевого соединения режущего инструмента
факторы учитывают при расчете прочности клеевых соединений
режущих инструментов по методике, изложенной ниже.
Расчет и конструирование клеевых соединений. Проектирова-
ние клеевого соединения в режущем инструменте включает (рис.
4.2):
разработку конструкции инструмента и режущего элемента с
учетом особенностей нагружения клеевого соединения силами
резания и воздействия на него теплового потока из зоны резания;
выбор клея и технологии склеивания, исходя из типа инстру-
мента и условий его эксплуатации;
разработку конструкции и оптимизацию геометрических
параметров клеевого соединения;
расчет прочности и ресурса клеевого соединения, исходя из
условий его эксплуатации;
Рис. 4.3. Расчетные схемы для определения прочности пазоиого (а) и те-
лескопического (б) клеевых соединений в условиях неравномерного на-
грева шва
расчет долговечности клеевого соединения, исходя из условий
хранения инструмента.
Расчет клеевых соединений на прочность. При расчете прочно-
сти клеевого соединения режущего инструмента необходимо
учесть неравномерность нагрева поверхности клеевого шва, кото-
рая обусловлена различным расстоянием его участков от зоны
резания. Поэтому в качестве критерия прочности клеевого соеди-
нения принято не среднее предельное напряжение в клеевом шве,
а.предельно допустимое усилие на клеевой шов, имеющий уча-
стки различной прочности из-за неравномерного нагрева. Для
упрощения приняты допущения: процесс резания установивший-
ся; источник теплоты точечный, непрерывно действующий в
неограниченном теле; теплопроводности склеиваемых инструмен-
тальных материалов и клея не зависят от температуры.
В соответствии с расчетной моделью для пазового клеевого
соединения (рис. 4.3, а) разрушающее усилие
Ktq
Ркл = *оУо(*о + 2о) —(Л + Ъ)»
где То - предел прочности клеевого соединения на сдвиг при 20 °C,
МПа (табл. 4.2); у0, хй, Zq - длина, ширина и высота режущего эле-
мента, м; Kt - коэффициент теплового разупрочнения клея,
МПа/°С; q - интенсивность теплового потока в режущий элемент в
процессе резания, Вт; X 9 - теплопроводность системы режущий
элемент - клеевой шов - корпус инструмента, Вт (м *°С); Ij, 12 - ин-
тегральные функции, определяемые из геометрических парамет-
ров режущего инструмента, м.
Интенсивность теплового потока в режущем элементе
g=l,15PzvfCn/E,
4.2. Параметры Tq и Kt для клеев
Клей то, МПа К(, МПа/'С
БЭН-50П 42 0,326
ВК-31 35 0,231
ВК-9 26 0,178
„Инструментол” 22 0,158
ВК-36 43 0,139
УП5-207 36 0,133
ЭНБС 34 0,106
ТКЛ-75 18 0,079
ТК-78 20 0,063
ВК-20 18 0,033
где Рх - тангенциальная составляющая силы резания, Н; v - ско-
рость резания, м/с; Кп - коэффициент, определяющий долю теп-
лоты, поступившей в режущий элемент; Е - механический эквива-
лент теплоты.
При обработке алюминия, чугуна и конструкционных сталей
твердосплавными инструментами Кп = 0,02...0,05; при обработке
титановых, труднообрабатываемых и жаропрочных сплавов К„ =
= 0,25...0,35.
Для расчета можно принимать соответственно: JCni = 0,1 и JC 2 =
= 0,5.
Интегральные функции (табл. 4.3)
11 = Join —~^° + + х01п -~^’П||+^ - - zoarctg
z0R
4.3. Функции /1 и 12
Форма режущего эле- мента и расположение клеевого шва Форма пластины (ГОСТ 2209-69) *0 У0 «0 h 12
см м” -2
0205 1,0 1,2 0,4 1,4 0,39
£ /тм1|||||1Н1|1ци 0227 1,6 1,8 0,6 2,21 0,57
0243 1,8 2,5 0,7 2,8 0,818
г‘ 0235 2,0 2,5 1,0 3,47 0,46
Ус 0143 1,8 3,2 1,0 2,83 1,32
0151 2,2 5,0 1,2 4,03 1,83
9 уллл — 1,6 0,3 0,4 0,62 0,075
\ 1103 1,8 0,8 0,5 0,597 0,19
— 3,2 0,6 0,8 1,21 0,15
1^4 Ус 1107 2,0 1,2 0,7 1,08 0,38
Продолжение табл. 4.3-
Форма режущего эле- мента и расположение клеевого шва Форма пластины (ГОСТ 2209-69) *0 Уо *0 д 12
(заштриховано) см м" -2
\ 0, 2611 0.4 2,5 0,25 1,096 0,525
2627 0,5 3,2 0,3 1,08 0,714
2427 1,0 2,0 0,4 4,69 0,584
2487 1,4 3,2 0,4 3,01 2,В
2485 1,4 4,5 0,5 3,38 0,97
— 0,3 3,2 0,5 0,75 1,4
— 0,4 1,7 0,8 0,59 1,45
х> '\Ррез — 0,6 0,5 1,0 1,51 2,79
Ч /ИИ — 2 2 4 0,93 2,67
\ZJIU — 1 4 4 0,87 5,65
Иг^ — 0,7 1,2 1 0,67 1,12
Уа
Q .тип...- т 0 5 0 5 0 5 0,14 0,14
— 1 1 1 0J9 0,79
Р/а — 3 3 3 2,45 2,45
У,
Примечание, q — зона действия теплового потока; Ррез — сила, действующая
на клеевой шов.
r . хо + Я . yn*R
12 - У oln r + ZOln °--------
- xoarctg ^°z°
x0R
где R = V x20 + y20 + z2.
Теплопроводность системы режущий элемент - клеевой шов -
корпус инструмента:
_____0р ^кл + ^кор) р^кл^кор
Э $гЛкл^-кор ^КЛ^-рЛ-Кор+^Кор^Р^КЛ
где 6р, 6КЛ, 6кор- толщина соответственно режущего элемента,
клеевого шва, корпуса инструмента, м; X р, Хкл, Хкор - теплопровод-
ности соответственно режущего элемента, клеевого шва, корпуса
инструмента, Вт/(м*°С).
Для большинства клеев, применяемых для склеивания инст-
рументов, Хкл = (5...9,8) 10~3 Вт/(м-°С).
Расчетное разрушающее усилие клеевого соединения Рк расч =
= РкКо6, где Ко6 - коэффициент, учитывающий влияние конструк.
тивных и технологических факторов на прочность клеевого соедц.
нения, Ко6 = МКТ, где М — коэффициент, учитывающий влияние
материала режущего элемента на прочность клеевого соедине.
ния:
Материал... Р6М5 Р18 Т15К6 Т5К10 ВК8 ЦМ-332 ВОК-60 Сили- t Компо- t Компо.
нит-Р | зит 01 I зит 05
М.........1 0,62 0,95 0,86 0,75 0,86* 0,7 0,6* 0,54 0,6
Разрушение происходит по керамике.
Т — коэффициент, учитывающий технологию выполнения сое-
динения (см. табл. 4.19); К - коэффициент, учитывающий констру-
ктивные параметры клеевого соединения:
К = КвКгКкКшКс;
Кв — коэффициент, учитывающий влияние направления силы
резания:
Угол наклона линии
действия силы ре-
зания 0,”..........0 30 45 60 75 90
Ке.................1 1,5 3 5 8 10
4.4. Влияние конструкции клеевого соединения на его прочность
Тип соеди- нения Эскиз для конструкции Эскиз Кр для конструкции
клееной паяной клееной паяной
1 1 5 1=^4 0,23 0,6
II 1,5 5,8 0,3 0,84
III 6,1 8,3 0,38 1,24
IV 4,3 6,1 0,35 1,17
V 5,5 4,8 !'х 0,47 1,34
4.5. Зависимость коэффициента К ш от зазора между склеиваемыми
поверхностями и их шероховатостью Ра
Клей
б, мм Ra, мкм Кш п₽и HRCg корпуса из стали 45
30 40 50
10 0,96 1,23 1,42
5 0,89 1,12 1,23
0,05 2,5 0,83 1,04 1,15
1 0,77 0,96 1,08
10 0,91 1,12 1,27
5 0,84 1,0 1,12
0,1 2,5 0,77 0,92 1,02
1 0,71 0,86 0,94
10 0,77 0,94 1,03
5 0,73 0,86 0,94
0,15 2,5 0,69 0,78 0,85
1 •0,67 0,73 0,79
10 0,65 0,77 0,85
5 0,62 0,72 0,79
0,2 2,5 0,59 0,68 0,74
1 0,58 0,65 0,69
KF - коэффициент, учитывающий влияние масштабного фактора
(площади клеевого соединения):
Ккл, см2.. . . 0,25 0,5 0,75 1,0 2,5 5,0 7,5 10 20 30 40 50
KF........ 1,4 1,2 1,1 1,0 0,84 0,7 0,6 0,54 0,48 0,42 0,38 0,35
Кк — коэффициент, учитывающий влияние конструкции клеевого
соединения, Кк = у Кр^Кр* (табл. 4.4); Кш - коэффициент, учитыва-
ющий влияние шероховатости склеиваемых поверхностей (табл.
4.5); Кс - коэффициент, учитывающий влияние конструктивных
параметров клеевого соединения (табл. 4.6).
Для клеевого соединения телескопической конструкции (см.
рис. 4.3, б) разрушающее усилие
KTqdI
Рк — Itdlg (7j - Iq) - ,
где d - диаметр вклеиваемого режущего элемента (стержня), см;
h - общая длина режущего элемента, м; /0 - длина рабочей части
Режущего элемента, м; I-безразмерная функция,
4.6. Значения коэффициента Кс для инструментов с
пазовым клеевым соединением при сдвиге
Рсд
8
Ширина паза В Глубина лазай кс При толщине стенки с, мм
мм 2 4 6
2 0,71 0,79 0,85
4 0,83 0,91 0,97
5 6 0,91 1,0 1,07
8 0,98 1,09 1,17
10 1,07 1,17 1,26
2 0,88 0,91 0,96
4 0,97 1,02 1,06
10 6 1,06 1,10 1,15
8 1,15 1,19 1,24
10 1,23 1,27 1,33
2 0,94 1,0 1,03
4 1,05 1,09 1,13
15 6 1,15 1,19 1,29
8 1,24 1,28 1,31
10 1,36 1,4 1,45
20 2 4 6 8 10 1,06 1,16 1,25 1,37 1,52 1,09 1,19 1,27 1,4 1,55 1,11 1,21 1,3 1,42 1,58
I. + у/в +d2/4
7-In
/o + //TTdV4
Для втулочного соединения при расчете Ко6 используют приве-
денные выше данные для пазового соединения, за исключением
коэффициента Кс, значения которого для втулочного клеевого со-
единения приведены в табл. 4.7. Коэффициент Кк принимают рав-
ным 1.
Клееные инструменты работоспособны при силе резания
Рреэ <РК. Запас прочности клеевого соединения
”'Ркрасч/РРеэ>3-
4.7. Значение коэффициента Кс для втулочного
клеевого соединения инструмента при кручении
Диаметр отверстия d Глубина отверстия 1 Кс при толщине стенки с, мм
2 4 6
м
5 1,33 1,23 1,1
5 10 0,78 0,7 0,63
20 0,4 0,33 0,26
5 1,54 1,43 1,33
10 10 1,08 1,0 0,93
20 0,6 0,52 0,46
5 1,73 1,6 1,47
15 10 1,26 1,17 1,07
20 0,8 0,74 0,66
5 1,93 1,73 1,53
20 10 1,45 1,33 1,22
20 1,33 1,2 1,06
4.8. Параметры определяющие долговечность
клеевых соединений инструментов
Клей г Ао и0, кДж/моль , У 10 ,кДж/(мольвМПа) b 10"3, К"1
„Инструментол” -2,35 130,6 0,903 1,55
ВК-31 -3,7 162 1,503 1,58
УП-5-207 -1,19 170,9 1,247 1,94
ТК-78 -4,57 123,1 1,697 0,42
Ресурс клеевых соединений (эксплуатационная долговечность)
режущих инструментов определяют по формуле
где С - коэффициент, учитывающий влияние условий эксплуата-
ции (термоциклирование и воздействие СОЖ, число переточек);
Ао — предэкспоненциальный множитель, константа для данного
клея (табл. 4.8); UD - энергия активации процесса термодеструкции
(разложения) отвержденного клея, кДж/моль (см. табл. 4.8);
у - коэффициент, учитывающий условия нагружения клеевого
соединения и структуру клея, кДж/(моль • МПа); Кзу — коэффици-
ент, учитывающий увеличение силы резания при затуплении
инструмента; Ррез — сила резания, МН; FKn — площадь клеевого шва,
м2; R - постоянная Больцмана, равная 8,314 кДж/(моль • К); b - кон-
станта, определяющая термостойкость клея, К'1 (см. табл. 4.8).
Расчетная средняя установившаяся температура в клеевом
шве при эксплуатации инструмента
^ = ('0- J/Kt + 273,
\ 1 мл ат /
где Кзт - коэффициент, учитывающий повышение температуры в
клеевом шве при затуплении инструмента.
Коэффициент С = Ктц Куст Кпер Кехл, где Ктц - коэффициент,
учитывающий термоциклирование (табл. 4.9); Куст - коэффициент,
учитывающий циклическое нагружение (табл. 4.10); Кпер - коэффи-
циент, учитывающий число к переточек инструмента:
4.9. Влияние термоциклировения н* прочность клеевых соединений
Параметры цикла, мин Ктц при рабочей температуре цикла #ц, *С
«и *охл 200 250 300 350 400
2 1,13 1,08 1,02 0,94 0,85
4 1,2 1,15 1,11 1,06 0,95
1 6 1,28 1,21 1,17 1,14 1,10
8 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15
2 0,82 0,77 0,69 0,6 0,51
4 0,95 0,85 0,74 0,64 0,56
2 6 1,03 0,92 0,8 0,69 0,59
8 1,13 0,98 0,86 0,73 0,62
2 0,78 0,70 0,59 0,48 0,32
4 0,86 0,75 0,65 0,55 0,44
10 6 0,9 0,81 0,69 0,63 0,53
8 1,0 0,91 0,78 0,68 0,61
2 0,64 0,52 0,4 0,29 0,17
4 0,77 0,74 0,53 0,41 0,28
15 6 0,85 0,78 0,65 0,44 0,32
8 0,92 0,86 0,76 0,52 0,36
4.10. Коэффициент К__
Коэффициент запаса прочности клеевого соединения К при средней температуре в клеевом шве, "С уст
л 20 80 150 200 250
10 1* 1 1 1 0,8
8 1 1 1 0,9 0,5
6 1 0,95 0,9 0,75 0,2
4 0,9 0,85 0,7 0,5 —
2 0,75 0,6 0,5 0,3 —
*1 —соответствует базе испытаний № 107цикпов.
к............. 1 2 3 5 8 10
Кпер.......... 0,95 0,87 0,8 0,7 0,55 0,4
Кохл- коэффициент, учитывающий охлаждение клеевого соедине-
ния при эксплуатации инструмента.
При отсутствии охлаждения Кохл = 1; при использовании СОЖ
Кт = 1, при этом Кохл = 0,95...0,97 при охлаждении маслом; Кохл =
= 0,87...0,9 при охлаждении водными эмульсиями с повышенным
содержанием масляной фракции; Кохл = 0,8...0,85 при охлаждении
стандартными 5 %-ными эмульсиями; Кохл = 0,75...0,78 - при охлаж-
дении водными растворами электролитов.
Расчет долговечности клеевых соединений при хранении
инструментов. При хранении в условиях складского помещения на
клеевые соединения действуют перепады температур и влажнос-
ти воздуха в течение суток, а также между зимними и летними
месяцами.
Долговечность клеевых соединений
где A'q. b - константы клеев; U* - энергия активации процесса тер-
модеструкции при заданном уровне прочности клеевого соедине-
ния, кДж/моль (табл. 4.11); 1Х - температура хранения инструмен-
та, °C.
Конструирование клеевых соединений. Среди конструктивных
факторов, оказывающих наибольшее влияние на прочность кле-
евых соединений, необходимо учитывать форму клеевого шва
(конструкцию соединения), шероховатость поверхности, толщину
клеевого шва и площадь клеевого соединения. Эксплуатация
клееных инструментов и механические испытания образцов
показали, что наиболее надежными являются пазовые соедине-
ния П- или V-образной формы, прочность которых в 4-6 раз выше,
чем у плоскостных соединений. Клеевой шов должен быть ориен-
4.П. Значения параметров для клеев
Параметр Инструментол ТКМ-75 ТК-78
U*, кДж/моль, для процес- са разрушения при уровне сохранения прочности кле- евого соединения, %: 90 77,3 100,8 105,8
80 92,8 125,0 123,5
70 104,6 132,7 145,3
1кА'о -0,54 -0,87 -0,65
Ьх IO-3, К-1 1,68 1,63 1,64
тирован так, чтобы он работал на сдвиг со сжатием, т. е. должен
быть расположен под углом 45-75° к силе резания. При этом проч-
ность клеевого соединения в 3-8 раз больше, чем прочность соеди-
нения, работающего на сдвиг. Не допускается неравномерный
отрыв шва (отрыв с изгибом).
Для оптимального сочетания жесткости стыка и прочности
клеевого соединения рекомендуется толщина клеевого шва
0,05-0,1 мм. При большей толщине в клеевом шве образуются поры,
ослабляющие клеевое соединение и увеличивающие напряжения.
Для создания максимальной жесткости стыка клеевого соедине-
ния, работающего на сжатие, необходимо обеспечить толщину шва
5-10 мкм при одновременном снижении шероховатости обработан-
ной поверхности до Ra = 0,32...0,36 мкм. Однако при указанной ше-
роховатости прочность клеевого соединения уменьшается. Зависи-
мость толщины (мкм) клеевого шва от давления р (МПа) имеет
вид степенной функции: 6 = 0,042 рс-81.
По сравнению с механическим креплением жесткость стыка
клеевого соединения выше в 2—2,5 раза. Влияние толщины клеево-
го шва, шероховатости и твердости склеиваемых поверхностей
необходимо рассматривать в совокупности. Наиболее высокие
показатели прочности клеевого соединения при следующих
значениях указанных параметров: шероховатость поверхности Rz =
® 10...40 мкм, твердость поверхности корпуса инструмента 45-
50 НЕСЭ, б = 0,05...0,1 мм. При Ra > 10 мкм прочность клеевого сое-
динения уменьшается вследствие ослабления адгезионных свя-
зей между склеиваемыми поверхностями.
Уменьшение твердости склеиваемых поверхностей, особенно
при малой толщине клеевого шва, может привести к деформации
и смятию вершин микронеровностей. Это наиболее вероятно на
шлифованных поверхностях, имеющих меньшую длину опорной
поверхности профиля, чем при дробеструйной обработке (табл.
4.12). Анализ параметров микрорельефа склеиваемых поверхнос-
тей показывает, что при одинаковой их шероховатости прочность
клеевого соединения увеличивается при уменьшении радиуса
закругления вершин гв, увеличении угла наклона микронеровнос-
4.12. Влияние параметров профиля склеичаем.« поверхностей на прочность клеевых соединений
Материал склеиваемых поверхностей Обработка Параметры шеро- ховатости поверхности Параметры неровностей профиля Коэффициент полноты заполнения про- филя клеем Ху Предел прогости при сдвиге ^сд» МПа
Средний шаг 5т,мм Радиус гв, мкм Угол При вершине ₽.• Опорная длина ;на уровне 50 %), %
Яа Ях
Ml СМ
Т15К6+40Х Дробеструйная 1,87 10,27 0,124 27,5 23 75 55,8 57
Шлифование 0,64 1,89 0,091 66,7 14 32 19,7 49
Р6М5+40Х Дробеструйная 1,76 4,26 0,349 31,8 26 46 83,2 61
Шлифование 0,74 2,53 0,118 54,5 17 23 46,7 54
40Х+40Х Дробеструйная 4,56 15,21 0,383 5,4 35 57 136,5 —
Шлифование 1,92 5.50 0,168 10,8 24 18 67,4 —
4.13. Значения параметров Pq и т для склеи-
ваемого соединения сталь 45 — твердый сплав Т15К6
Клей m
Инструментол 6170 3,35
ТК-78 3820 4,42
ВК-31 5320 5,58
УП-5-207 5870 1,94
тей Р и шага SM между ними, а также при увеличении длины опор-
ной поверхности t и коэффициента Ку, характеризующего полноту
заполнения углублений профиля клеем.
Влияние масштабного фактора на прочность клеевого соеди-
нения выражается зависимостью т = Pq/F^~, где Pq - разруша-
ющая сила при площади клеевого шва 1 см2, Н; т - показатель, ха-
рактеризующий чувствительность клея к изменению площади
клеевого шва (табл. 4.13).
Наименее чувствительным к изменению площади клеевого
соединения является клей ВК-31 вследствие наличия в его соста-
ве пластифицирующих компонентов, обеспечивающих релакса-
цию напряжений в клеевом шве, что позволяет рекомендовать его
для склеивания крупноразмерных инструментов (протяжек, круп-
номодульных червячных фрез и т. п.).
Чувствительность других клеев к действию масштабного
фактора обусловлена различными значениями коэффициентов
линейного расширения наполнителей и склеиваемых материалов.
Так, для клея УП-5-207, в состав которого входит алюминиевый
порошок, показатель т является минимальным.
Сопоставление двух функциональных зависимостей, характе-
ризующих влияние масштабного фактора и теплового потока на
прочность клеевого соединения, позволяет определить допусти-
мую площадь клеевого соединения, исходя из теплового и силово-
го факторов режима нагружения клеевого соединения. Представ-
ленные на рис. 4.4 номограммы позволяют оценить запас прочно-
сти клеевого соединения при заданной площади соединения.
Пример (рис. 4.4, а). Даны площадь клеевого соединения FK„ -
= 14 см2 и расчетный тепловой поток в режущем элементе из
быстрорежущей стали <7 = 210 Вт.
Откладываем на нижней горизонтальной оси заданную пло-
щадь соединения FKn = 14 см2 и проводим вертикальную линию до
пересечения с наклонной линией. Получаем точку 1. Затем за-
данное значение расчетного теплового потока откладываем на
вертикальной оси q и проводим горизонтальную прямую до пересе-
чения с линией, соответствующей быстрорежущей стали. Из точки
пересечения опускаем вертикаль до нижней горизонтальной оси и
получаем искомое значение допустимой площади клеевого шва
Дкл ~ $2 см2. Из точки 2 пересечения вертикали с наклонной
линией в нижней части номограммы проводим горизонтальную
а)
Рис. 4.4. Номограммы для определения допускаемой силы резания Р и теплового
потека q на клеевое соединение площадью
а - клей ВК-31; б - клей УП-5-207
Рис. 4.4. Ноыограммы для определения допускаемой силы резания Р и теплового
потока q на клеевое соединение площадью Ркл-
а - клей ВК-31: б-клей УП-5-207
4.14. Типовые конструкции клеевых соединений
Тип соедине-
ния; область
применения_____
Врезное поперечное:
все типы резцов; дис-
ковые насадные фре-
зы; протяжки
Врезное продольное;
протяжки и хоны
Конструктивные
элементы
Размеры соедине-
ний, мм
bi = 4...8
b2 = Ь 1+0,2
Й-7...15
Н=10...20
В=12...25
Клиновое; фасонные и
призматические резцы
bi=3...15
b2=bi + 0,3
с>5,0
hb h2 = 5...15
Н>20
I > 200
В = 10...40
В = 20...60
bi = 10...25
R = 2...5
Н=4О...8О
hj = 20...40
0=ЗО...45
С-10...20
Тип соедине-
ния; область
применения
Полузакрытое; резьбо-
вые, подрезные и расточ-
ные резцы, развертки
Эскиз
Втулочное; сверла, раз-
вертки, зенкеры, метчи-
ки; концевые фрезы, рас-
точные резцы, абразив-
ный инструмент
Коническое; долбяки,
торцовые фрезы, сверла,
развертки, зенкеры, мет*
чики, абразивный инст-
румент
Клеерезьбовое; пазовые,
дисковые и концевые
фрезы
Клеештифтовое; диско-
вые фрезы, пилы сегмент-
ные, круговые протяжки,
штампы
d=8...2O
/=(3...2)d
tt=5...2O*
d=M14...M32
Z=(21..0,8)d
D=d+2it+26
6=0,05...0,15
fc=1...3
di = (4...12)A5
d2=(4...12)c5
«=0,05...0,15
d/t=1...0,5
t>4
Клеепрессовое пазовое;
пазовые фрезы, зенкеры,
резцы
Комбинированное вту-
лочное клеепрессовое;
сверла, зенкеры, разверт-
ки
Конструктивные
элементы
Размеры соедине-
ний, мм
В = 8...20
Ь=5...15
71=72 = 2... 5’
Н=8...3О
hi = 3...10
b2 = bi-(0,2...0,5)
D = 6...20
Dj=6...3O
d!=3...14
c=l,5...5
hi=3...1O
h2=(3...1,5)d1
a=15...6O*
d2=di-f0,1...0,3)
d3=l...l,5
Jr=(0,5...1)X45"
H=(4...2)di
P=6O...9O*
S=0,8...1,5
7=0,2...0,5
Клиновое составное;
фрезы, резцы, про-
тяжки, зенкеры
а
В=5.„15
Ьу-3.,.15
b3=l,5...6
Н-4...12
й=3...1О
ot«3...15*
линию до пересечения с вертикальной осью Р и получаем значе-
ние допустимого усилия на клеевое соединение Р = 13,5 кН. За-
пасу прочности клеевого соединения по площади соответствует
расстояние х, а запасу прочности по допускаемой силе резания и
тепловому потоку - расстояние у.
Примеры типовых конструкций клеевых соединений для ре-
жущих инструментов представлены в табл. 4.14. При значительных
динамических нагрузках необходимо проектировать клеемеха-
нические конструкции соединений (клеерезьбовые, клеештифто-
вые, клеепрессовые и т. п.). Для более интенсивного отвода тепло-
ты из зоны резания и предохранения клеевого соединения от
перегрева рекомендуется выполнять теплоотводящие пояски,
расположенные в зоне наибольшего нагрева клеевого соединения.
Применение этих поясков обеспечивает и более надежное креп-
ление режущего элемента, благодаря дополнительной фиксации
при его запрессовке в корпус инструмента. Клеепрессовые соеди-
нения позволяют исключить применение дополнительных фикси-
рующих приспособлений во время отверждения клея. Клеевые
соединения обозначены по ГОСТ 2313-82.
4.2. СПОСОБЫ СКЛЕИВАНИЯ
Механизм склеивания. Склеивание является результатом
сложных физико-химических явлений, происходящих как на
границе раздела клей - склеиваемый материал, так и в клеящем
материале. При рассмотрении механизма склеивания необходимо
выделить два основных процесса - адгезию и когезию.
Применительно к склеиванию инструментальных материалов,
характеризующихся различной структурой и фазовым составом,
образование адгезионной связи между адгезивом (клеящим
веществом) и субстратом (склеиваемым материалом) является
результатом механического, термодинамического, межмолеку-
лярного, электростатического и химического взаимодействия.
Механическое взаимодействие основано на проникновении и
последующем заклинивании адгезива в микронеровностях склеи-
ваемой поверхности. Поэтому для склеивания предпочтительна
шероховатая поверхность. Однако один механический эффект без
молекулярного и химического взаимодействия не может обеспе-
чить высокую адгезионную прочность.
Высокая клеющая способность клеев и адгезионная прочность
клеевого шва определяются наличием в молекулах клея поляр-
ных групп и поверхностной энергией склеиваемого инструмен-
тального материала, а также составляющих его фаз. Молекуляр-
ному взаимодействию между адгезивом и субстратом предшест-
вует образование контакта клея со склеиваемой поверхностью.
Чем больше заполнение микронеровностей клеем, тем больше
площадь взаимодействия. Необходимым условием для этого
является способность клея растекаться по склеиваемой поверх-
ности и заполнять ее микронеровности, т. е. способность клея
смачивать склеиваемые поверхности (термодинамический аспект
адгезионной прочности).
При контакте жидкого адгезива (клеи ВК-9, ТКЛ-75 и ТК-78) с
твердой поверхностью субстрата адгезия определяется краевым
углом смачивания и поверхностным натяжением адгезива. Поэто-
му увеличению адгезионной прочности при уменьшении угла смачи-
вания способствует не только изменение свободной поверхностной
энергии, но и улучшение реологических свойств (растекаемости)
самого клея, а также регулирование микрорельефа поверхности.
Для изменения поверхностной энергии инструментальных
материалов применяют химическое модифицирование склеивае-
мых поверхностей, а также обработку последних поверхностно-ак-
тивными веществами (ПАВ). Для улучшения растекаемости клея
применяют растворители клеев (клей ВК-20) с последующей от-
крытой выдержкой перед совмещением склеиваемых поверхно-
стей с нанесенным клеем либо нагревают склеиваемую поверх-
ность до температуры плавления клея в случае использования
клеев-расплавов (клей ЭНБС и „Инструментол”).
Лучшему контакту адгезива с субстратом способствует давле-
ние при отверждении клея, что приводит к образованию плотного
беспористого клеевого шва и увеличению прочности клеевого
соединения. Электростатический механизм адгезии связан с ориен-
тированной абсорбцией полярных групп полимера к металлическим
и металлоподобным инструментальным материалам (быстрорежу-
щей, стали, керамике, карбидосталям и др.) и образованием на-
электризованного слоя на поверхности клеевого шва.
Условия формирования и разрушения клеевого соединения.
Важную роль в образовании адгезионного соединения играют
химические связи между реакционно-способными группами
полимеров, входящими в состав клея, и активированной по-
верхностью склеиваемого инструментального материала. Происхо-
дящая в результате химического взаимодействия реакция отверж-
дения клея способствует созданию стойкого к эксплуатационным
условиям адгезионного соединения. При отверждении клея
происходит полимеризация: цепи макромолекул соединяются
между собой химическими связями с образованием трехмерной
полимерной сетки.
В процессах отверждения можно выделить две стадии: началь-
ную - от вязкотекучего состояния до возникновения трехмерной
сетки и, следовательно, потери отверждающимся клеем текучести
и растворимости (так называемой точки гелеобразования), и
конечную - после точки гелеобразования до предельной стадии
отверждения клея. Эти стадии характерны как для клеев холод-
ного отверждения (ВК-9, ТКЛ-75), так и для клеев горячего отверж-
дения (УП-5-207, ВК-31, ТК-78 и ВК-20).
Важнейшим фактором, определяющим кинетику отверждения
любого клеящего материала, в первую очередь клеев горячего
отверждения, является температура. При температурах ниже
некоторого предела степень отверждения клея может быть недо-
статочной для обеспечения заданных свойств клеевого соедине-
ния. Чтобы произошло полное отверждение клея, температура этого
процесса должна быть выше температуры стеклования Тс, т. е.
температуры перехода полимера из вязкотекучего состояния в
твердое стеклообразное.
При продолжительном действии температуры выше Тс начина-
ется термоокислительная деструкция (разрушение) клея. Разру-
шение клеевого соединения под действием эксплуатационных
факторов в процессе резания - температурных и силовых нагрузок,
ослабляющих химические и межмолекулярные связи, - описы-
вается уравнением С. Н. Журкова [9]. В соответствии с этим уравне-
нием разрушение материала, в том числе клеевого соединения,
рассматривается как необратимый кинетический процесс накоп-
ления внутренних повреждений в материале, обусловленный
действием температурного фактора и ускоряемый механическими
и другими воздействиями окружающей среды.
4.3. КЛЕИ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Общая характеристика клеев. По виду исходного материала
клеи делят на синтетические и неорганические. Из них только
клеи на основе синтетических смол по своим физико-механиче-
ским свойствам могут применяться в инструментальном производ-
стве. Неорганические клеи-цементы несмотря на свою высокую
термостойкость (до 1500-2000 °C) имеют низкую прочность, хруп-
кие и не выдерживают ударных и вибрационных нагрузок, что
делает их непригодными для склеивания инструментов.
Синтетические клеи в зависимости от вида связующего поли-
мера делят на термопластичные и термореактивные. Термопла-
стичные клеи при повышении температуры переходят в высоко-
пластическое и вязкотекучее состояние, для которого характерны
большие необратимые деформации. В связи с тем что при работе
инструмента на клеевой шов действуют значительные механиче-
ские нагрузки и повышенная температура, термопластичные
клеи, не обладающие достаточной прочностью и жесткостью, не
могут быть рекомендованы для склеивания инструментов.
Клеи на основе синтетических термореактивных полимеров
лишены этого недостатка. Отличительной особенностью терморе-
активных клеев является то, что при нагревании и в определен-
ных условиях при нормальной температуре они переходят вначале
в жидкое, а затем в результате химического процесса, называе-
мого отверждением, в твердое, нерастворимое и необратимое сос-
тояние, что позволяет получать жесткое клеевое соединение.
Термореактивные клеи являются многокомпонентными
системами. Основным компонентом таких клеев является син-
тетическая смола, которая обеспечивает необходимую прочность
клеевого соединения. Помимо синтетической смолы в состав клея
входят отвердители, растворители, пластификаторы, наполните-
ли, тиксотропные добавки, стабилизаторы, антиоксиданты и др.
Перечисленные компоненты позволяют регулировать свойства
клеев в значительных пределах. К основным связующим терморе-
активных клеев, используемых в режущих инструментах, относят
эпоксидные, элементоорганические, фенолоформальдегидные и
другие смолы.
Наиболее широкое применение нашли эпоксидные клеи и их
модификации (клеи УП-5-207, ТКЛ-75, ВК-31 и др.), так как они
отличаются высокой адгезией к инструментальным материалам;
нейтральны по отношению к ним (не вызывают коррозию и другие
побочные явления); не выделяют летучих продуктов (за исключе-
нием клея ВК-20) и имеют малую усадку в процессе отверждения;
способны отверждаться при комнатной температуре (клеи ВК-9 и
ТКЛ-75); стойки к атмосферным воздействиям, химическим реа-
гентам, действию влаги и СОЖ (особенно клей ЭНБС); обладают
повышенными физико-механическим свойствами.
Для улучшения термостойкости эпоксидные смолы (клей
ТКЛ-75, ТК-78) модифицируют элементоорганическими соедине-
ниями и фенолоформальдегидными смолами (клей ВК-13М).
Повышению вибростойкости и ударной вязкости клеев спо-
собствует совмещение эпоксидных смол с каучуками (клей ВК-31,
ВК-36). Эпоксидно-каучуковые клеи являются наиболее ударо-
прочными. Недостатком клеев этой группы являются низкая
термостойкость (80-150 °C) и малый срок хранения (3-6 мес.).
Эпоксидно-фенольный клей КИ-80 и другие, применяемые для
склеивания инструментов, обладают хорошей адгезией к инстру-
ментальным материалам, отверждаются при невысоком давлении
и работоспособны до 300-400 °C (для их отверждения требуется
температура около 200 °C).
Разновидностью эпоксидно-фенольных клеев являются клеи
на основе эпоксидно-новолачных смол (клеи БЭН-50П, 6Э18Н),
получаемые из эпоксидных смол, модифицированных феноло-
формальдегидными олигомерами новолачного типа. В результате
сополимеризации образуется эпоксидно-новолачный блок-сопо-
лимер (ЭНБС). Клеи на основе ЭНБС в виде твердого прутка или
порошка имеют срок хранения более 2 лет, отличаются умеренной
(до 200 °C) термостойкостью и увеличенной ударной вязкостью.
Недостатком этих клеев является необходимость нагрева склеи-
ваемой поверхности до 150-170 °C для приведения клея в рабочее
состояние.
Эпоксидно-кремнийорганические клеи ТК-78, ТКЛ-75 отверж-
даются как при комнатной, так и при температуре до 200 °C и
практически не требуют применения давления при склеивании.
Они обладают лучшей адгезией к инструментальным материалам
по сравнению с эпоксидно-фенольными клеями и имеют термо-
стойкость 250-350 °C. Эпоксидно-кремнийорганические клеи
обладают высокой теплопроводностью и хорошо заполняют зазоры.
В отвержденном состоянии клеи обеспечивают сочетание повы-
шенных показателей ударной вязкости, термостойкости и термо-
стабильности (стойкости к длительному воздействию повышен-
ных температур).
Фенолоформальдегидные смолы являются основой целого
ряда клеевых композиций, которые в отвержденном состоянии
обладают повышенной термо- и водостойкостью, но относительно
хрупки, поэтому в большинстве случаев применяются в модифи-
цированном виде.
Фенолокаучуковые клеи ВК-13 и ВК-13М обладают хорошими
адгезионными свойствами. Полученные на их основе клеевые соеди-
нения имеют повышенные термостойкость, прочность и вибро-
стойкость, они отличаются высокой прочностью при неравномер-
ном отрыве. К недостаткам фенолоформальдегидных клеев мож-
но отнести необходимость обязательного применения давления
(0,5-2 МПа) при их отверждении из-за усадки связующего или
наличия растворителей в составе клеев. Клеевые соединения на
основе фенольно-каучуковых клеев работоспособны до 80-200 °C.
Основу любой клеящей композиции составляют синтетиче-
ская смола (связующее) и отвердитель. Условия отверждения и
физико-механические свойства клеевого соединения зависят от
химической природы и количества отвердителя. В клеях холод-
ного отверждения (ВК-9 и ТКЛ-75 и др.) в качестве отвердителей
применяют алифатические амины, например полиэтиленполиа-
мин (НЭПА) и полиамиды, обеспечивающие образование клеевого
соединения в течение 1-2 сут. при 20-25 °C. Полиамиды способст-
вуют формированию более эластичных и ударопрочных клеевых
соединений. При этом скорость отверждения несколько ниже
клеев с алифатическими аминами, что позволяет увеличить срок
использования клея за счет его более длительной жизнеспособ-
ности. Использование в клеях указанных отвердителей не обеспе-
чивает в большинстве случаев высокой термостойкости и прочно-
сти клеевых соединений. Для этих целей в качестве отвердителей
применяют ангидриды кислот (клеи ТКМ-75, ТК-78, Т-73), аромати-
ческие амины, а также дициандиамид (ДЦДА). Отверждение в
этом случае производится при температуре 80-250 °C в течение
1-4 ч. Такие клеи называют клеями горячего отверждения.
При введении в связующее ангидридов кислот жизнеспособ-
ность полученных клеев составляет несколько часов. Дицианди-
амид, относящийся к числу скрытых (латентных) отвердителей,
позволяет увеличить жизнеспособность клеевых композиций от
нескольких месяцев до нескольких лет, обеспечивая создание
наиболее перспективных в технологическом отношении одноком-
понентных клеев в виде паст, пленок, прутков, таблеток (клеи
УП-5-207, ЭНБС, КТИ-1, Эпоксид-Пр).
Синтетическая смола (связующее) и отвердитель образуют
основу клея - состав, который определяет технологические пара-
метры (температуру, продолжительность выдержки и давление)
при отверждении клея, а также показатели эксплуатационных
свойств клеевых соединений.
Наполнитель выполняет несколько функций: обеспечивает
необходимую вязкость клея, придает ему тиксотропные свойства
(способность клея удерживаться на вертикальных поверхностях);
обеспечивает снижение напряжений; способствует сближению
коэффициентов линейного расширения клея и склеиваемого
инструментального материала, повышению термостойкости,
механической прочности и теплопроводности, увеличению водо-
стойкости соединения. Количество наполнителя должно быть
таким, чтобы обеспечить смачивание каждой его частицы поли-
мером. В качестве наполнителей клеев для склеивания инстру-
ментов используют порошки металлов (железа, алюминия), карби-
дов, нитридов и оксидов различных металлов.
Для увеличения когезионной прочности (прочности клеевого
слоя) перед введением в клей наполнители обезжиривают или
обрабатывают ПАВ. Кроме порошков в качестве наполнителей
могут быть использованы волокнистые (асбест, измельченное
стекловолокно) и плетеные материалы (сетки, стеклоткань).
Оптимальная дисперсность порошкообразных наполнителей
составляет 30-50 мкм. На 100 массовых частей смолы вводят 30-
200 частей наполнителя, в зависимости от плотности, формы
частиц и их удельной поверхности.
Пластификаторы - вещества, обеспечивающие улучшение
эластичности и морозостойкости клеев за счет уменьшения вяз-
кости. Пластификатор вводят в количестве до 30 % массы связу-
ющего. Для пластификации клеев применяют высококипящие
малолетучие жидкости (дибутилфталат, эфиры фталевой и фос-
форной кислот и др.).
Стабилизаторы - вещества, которые предотвращают (или
снижают) ухудшение свойств клеевых соединений при эксплуата-
ции. Для повышения стойкости эпоксидных инструментальных
клеев к действию высоких температур в качестве термостабилиза-
торов используют ацетилацетонаты металлов (например, никеля и
кобальта), которые вводят в количестве не более 5 % массы связу-
ющего.
Тиксотропные добавки обеспечивают снижение подвижности
клея при его отверждении и тем самым препятствуют образованию
потеков на склеиваемых деталях, особенно на вертикальных
поверхностях. В инструментальных клеях для этой цели использу-
ют „Аэросил” - коллоидную двуокись кремния, которую вводят в
количестве до 5 %. Для приготовления жидких клеев и улучше-
ния смачиваемости склеиваемой поверхности применяют раство-
рители, в качестве которых используют ацетаты, бензин, ацетон,
спирты, этилцеллозольв.
Способы склеивания инструментов в зависимости от характе-
ра производства, объема выпуска и типа инструментов, а также
вида клея могут быть различны. По характеру отверждения разли-
чают: склеивание при комнатной температуре клеями холодного
отверждения и склеивание при повышенной температуре клеями
горячего отверждения.
Первый способ применяют для склеивания массивных и круп-
норазмерных инструментов, а также в тех случаях, когда клеевое
соединение при эксплуатации инструмента не подвергается
воздействию высоких температур и больших сил резания.
Второй способ применяют для получения высокопрочного кле-
евого соединения, имеющего большую термостойкость, чем
у клеев холодного отверждения. При этом способе используют
несколько вариантов нагрева инструмента при склеивании: в
термошкафу, индукционный нагрев токами высокой частоты с
последующим доотверждением клея в термошкафу, контактный
нагрев клеевого шва с помощью трубчатых электрических нагрева-
телей, поверхностный нагрев корпуса инструмента под действием
инфракрасных ламп.
Для интенсификации отверждения клея применяют ультра-
звуковую активацию клеевого шва, обеспечивающую не только
сокращение процесса отверждения, но и повышение качества
клеевого соединения.
Требования к инструментальным клеям. При выборе клея для
конкретного инструмента необходимо учитывать его физико-меха-
нические свойства (термостойкость, прочность при сдвиге, удар-
ную вязкость, стойкость к СОЖ, теплопроводность) и технологи-
ческие свойства (вязкость клея, режим отверждения, состояние
при поставке, жизнеспособность, срок хранения).
Общим требованием для всех клеев является высокая адгезия
к инструментальным материалам. Клей должен обладать такой
адгезией, чтобы разрушение клеевого соединения происходило по
клею.
Термостойкость клея оценивается по изменению прочности
клеевого соединения при действии повышенной температуры.
Предел прочности клеевого соединения на сдвиг при температуре
Г, МПа:
TT = f0-Krt-
Коэффициент Kt отражает интенсивность снижения прочности
клеевого соединения при нагреве на 1 °C и численно равен тан-
генсу угла наклона прямой, построенной в координатах предел
прочности - температура клеевого соединения. Этот коэффициент
необходим для расчета прочности клеевых соединений в условиях
неравномерного нагрева клеевого шва, что характерно для режу-
щих инструментов, и позволяет определить прочность отдельных
участков клеевого шва, нагретых до различной температуры.
Требования по термостойкости клея зависят от назначения.
Для малонагруженных инструментов, например расточных цельно-
твердосплавных резцов, не требуется применение клеев с термо-
стойкостью более 100 °C. При изготовлении протяжного и зуборез-
Рис. 4Л. Сравнительные температурные (f) и силовые (Рред/т,,) нагрузки в
эоне соединения в режущих инструментах при их эксплуатации, допуска-
ющие применение клеев (I) низкой (Л), средней (Ш) и высокой (IV) термо-
стойкости:
1 — расточные резцы с цельнотвердосплавной режущей частью; 2 — хвосто-
вые развертки; 3 — насадные развертки; 4 — метчики, оснащенные твердо-
сплавными пластинами; 5 — сверла с цельнотвердосплавной режущей
частью; 6 — протяжки с секциями из быстрорежущей стали; 7 — протяжки с
твердосплавными пластинами; 8 — насадные фрезы; 9 — хвостовые долбяки;
10 — резцы с керамическими пластинками; 11 — резьбовые резцы; 12 — ножи
для резания дерева, бумаги и т. п.; 13 — хвостовые фрезы с цельной режу-
щей частью из быстрорежущей стали; 14 — проходные резцы с твердосплав-
ными пластинами; 15 — резцы эльборовые; 16 — зенкеры с твердосплавными
пластинами; 17 — концевые фрезы с винтовыми твердосплавными пласти-
нами; 18 — спиральные сверла с твердосплавными пластинами; 19 — от-
резные резцы с твердосплавными пластинами
ного инструмента можно применять клеи, термостойкость которых
не превышает 150-200 °C. Для инструментов для обработки отвер-
стий требуются клеи с термостойкостью до 250-300 °C. Для тепло-
нагруженных инструментов, например оснащенных СТМ, необхо-
дима термостойкость 600-700 °C.
Таким образом, при выборе клея для режущих инструментов
определяющими факторами являются температура в зоне соеди-
нения ревущего элемента с корпусом инструмента и силы реза-
ния. На рис. 4.5 показана диаграмма, характеризующая типичные
нагрузки в зоне соединения, исходя из которых определяется
область применения клеев.
Важным показателем клеев является ударная вязкость. При-
меняемые для склеивания инструментов клеи обладают следу-
ющим сочетанием показателей свойств: предел прочности на
сдвиг 20-50 МПа, термостойкость 200-600 °C, ударная вязкость
10-36 кДж/м2. Соотношение указанных показателей для различ-
ных марок инструментальных клеев имеет закономерность: с
повышением термостойкости клея прочность на сдвиг и ударная
вязкость уменьшаются. При выборе клея для конкретного инстру-
мента необходимо обязательно учитывать эту закономерность,
чтобы свойства клея в наибольшей степени соответствовали
условиям эксплуатации соединения.
Помимо кратковременной прочности клеевые соединения
должны иметь ресурс, соответствующий суммарной стойкости
инструмента (4-10 переточек). Исходя из этого, предел выносли-
вости при сдвиге клеевых соединений должен составлять 3-5 МПа
при 200-250 °C и числе циклов до 107.
Режущий инструмент эксплуатируется, как правило, с приме-
нением СОЖ, а хранится в масляных средах. Снижение прочности
клеевых соединений при выдержке в СОЖ и масле в течение
30 сут не должно превышать 5-10 %.
К клеевому шву инструмента предъявляют также специаль-
ные требования: высокая теплопроводность, обеспечивающая
беспрепятственный теплоотвод от режущей части инструмента к
корпусу; близкие значения коэффициентов линейного расшире-
ния клея и склеиваемых материалов; наличие виброгасящих
свойств, оказывающих влияние на шероховатость обработанной
поверхности.
По совокупности свойств наиболее предпочтительными для
инструментальных клеев являются металлические наполнители
(мелкодисперсные порошки алюминия, меди, железа), тугоплав-
кие бескислородные соединения (нитрид бора, карбид титана и
др.), а также оксиды металлов (магния, цинка, титана, бериллия,
алюминия и др.).
Теплопроводность большинства клеев 0,1-0,3 Вт/(м • °C). Одна-
ко добавка 80 % алюминиевого порошка снижает напряжения в
клее и позволяет увеличить его теплопроводность до 2,5 Вт/(м-°С).
Работоспособность многокомпонентных пастообразных клеев
должна быть достаточной для работы в течение рабочей смены
(6—8 ч). Однокомпонентные пленочные и пастообразные клеи
обладают способностью сохранять свои клеящие свойства 3-6 мес,
а твердые порошкообразные и таблетированные клеи
до 2-3 лет.
Консистенция пастообразных клеев должна обеспечивать сво-
бодное нанесение клея на плоские, на фасонные склеиваемые
поверхности, в пазы и отверстия. При этом вязкость клея должна
оставаться неизменной на протяжении рабочей смены, что важ.но
4.15. Клеи для склеивания инструментов
Клей Л Жизнеспо- собность Режим отверждения Свойства клеевого соединения сталь 45 — твердый сплав Т15К6
Температура, •с Выдержка, ч Давление, МПа Термостой- кость, ’С тсд при 20 *С, МПа Ударная вязкость при сдвиге, кДж/м2
1,5 ч 24 ч Клеи холодного отверждения
ВК-9 (паста) 20 24 — 200 40,8 21,6
ТКЛ-75 (паста) 4 ч 20 48 200 29 8,8
7 сут
Клеи гс )рячего отверг кдения
„Инструментол” (пруток) 1год 5 лет 160 2 - 200 56 24,0
ЭНБС (пруток или поро- 1год 180 4 200 63,5 28,6
шок) 5 лет
БЭН-50П (пленка) 1,5 года 180 4-6 0,005-0,01 100 68,5 36,7
3 года
ВК-31 (пленка) 3 мес 170 1 0,005-0,01 150 72 35,3
1год
ВК-Зб (пленка) 3 мес 170 1-2 0,005-0,01 180 74 39,5
1 год
ТК-78 (паста) б ч 200 3 260 35 9,1
7 сут
УП-5-207 (паста) 1 год 150 0,5 — 200 49 20,0
3 год*
Продолжение табл. 4.15
Клей Жизнеспо- собность Режим отверждения Свойства клеевого соединения сталь 45 — твердый сплав Т15К6
Температура, ’С Выдержка, ч Давление, МПа Термостой- кость, *С тсд при 20 *С, МПа Ударная вязкость при сдвцге, кДж/м2
ВК-20 (паста) 4 ч 170 3 0,03-0,15 600 20,5 8,7
24 ч
Примечания: 1. В числителе — хранение при комнатной температуре; в знаменателе — при 5 "С.
2. В графе, где не указано давление, предусмотрено давление под действием собственного веса.
при применении шприцев, дозаторов и других средств механиза-
ции процесса склеивания.
В целях отсутствия потеков клея на корпусе инструмента и
режущих элементов необходима низкая текучесть клея при нагре-
вании в процессе отверждения. Клей должен отверждаться без
применения давления, что упрощает склеивание и исключает
применение сложной оснастки.
Состав и свойства инструментальных клеев. Из большого числа
марок отечественных клеев, опробованных при склеивании ин-
струментов за последние 10-15 лет, наибольшее применение
нашли 10 марок (табл. 4.15). Наиболее предпочтительными для
производственных условий являются однокомпонентные клеи
марок ВК-31, ВК-36, БЭН-50П, УП-5-207, ЭНБС и „Инструментол” с
длительными сроками хранения, обладающие высокой исходной
прочностью и отверждающиеся без применения постоянного
давления на клеевой шов.
Клей ВК-9 - пастообразный клей холодного отверждения.
Состав, массовые части: смола ЭД-20 60, отвердитель ГЮ-300 40, на-
полнитель двуокись титана 10. Для ускорения отверждения клея
применяют катализатор, состоящий из смеси аминоэтоксисиланов
марок АДЭ-3, АГМ-3, взятых в соотношении 98:2. Для упрощения
приготовления клея смолу и отвердитель дозируют равными
объемами с последующим смешиванием, поскольку в этом случае
выдерживается указанное выше массовое соотношение.
В качестве наполнителей можно использовать карбид титана,
нитрид алюминия, переработанный асбест и другие порошки.
Клей не содержит растворителя, не выделяет газообразных про-
дуктов при отверждении и хорошо заполняет зазоры между склеи-
ваемыми поверхностями. Клеевые соединения способны выдержи-
вать 125 °C в течение 10 000 ч, 150-200 °C - 500 ч и 250 °C - кратко-
временно.
Клей ТКЛ-75 - пастообразный клей холодного отверждения.
Состав, массовые части: эпоксидно-кремнийорганическая смола
СЭДМ-4 100; полиамидный отвердитель Л-20 50; нитрид бора 30;
карбид титана 70.
Подогретую до 50-60 °C смолу СЭДМ-4 смешивают с отвердите-
лем Л-20, после чего вводят наполнитель. Для сокращения време-
ни склеивания рекомендуется отверждение при температуре 80 °C
в течение 4-6 ч или 150 °C в течение 3 ч.
Клей „Инструментол” - однокомпонентный пастообразный
клей (допускается форма в виде прутка), изготовляется на основе
эпоксидно-кремнийорганической смолы ТК-75. Срок хранения
клея при 15 - 25 °C 1 год, при 0 - 5 °C 3 года. В охлажденном состо-
янии клей может применяться в виде прутков, что удобно при
склеивании на установках ТВЧ. Для этого детали нагревают за 1-
2 с до 130-150 °C в индукторе, затем на склеиваемую поверхность
путем растирания наносят клей. После совмещения и фиксации
склеиваемых поверхностей проводят отверждение клея в термо-
шкафу.
Эпоксидно-новолачные клеи 6Э18Н и ЭНБС являются продук-
том сополимеризации смеси, состоящей из 60 массовых частей
эпоксидной смолы ЭД-16 и 40 массовых частей новолачной фено-
лоформальдегидной смолы СФ-010. Клей можно применять в виде
порошка, брусков или таблеток, полученных путем прессования
порошка. Для получения порошкообразного клея исходный куско-
вой клей измельчают в фарфоровой шаровой мельнице с диабазо-
выми шарами. Продолжительность измельчения 1,5 ч. Соотноше-
ние масс шаров и материала (2...2,5):1. Измельченный клей просе-
ивают через сито. Для получения брусков (прутков) расплавлен-
ный клей заливают в формы из фторопласта или силиконовой
резины, в которых клей охлаждают до комнатной температуры.
Клей наносят на предварительно нагретые до 80-100 °C поверхнос-
ти. Клеевые соединения выдерживают длительное (до 100 ч)
воздействие температур 80-150 °C. После воздействия температур
80, 120 и 150 °C в течение 1000 ч разрушающее напряжение клеевых
соединений при сдвиге при 20 °C составляет соответственно 22, 21
и 15 МПа.
Клей БЭН-5011 - пленочный клей, получаемый из ЭНБС, моди-
фицированного поливинил бутиралем марки ПШ. В качестве
пластификатора используют олигоэфиракрилат ТГМ-3. Клей стоек
к действию влажного воздуха, солнечной радиации и термоуда-
рам, тепловому старению в течение 1000 ч при 150 °C.
Клеи ВК-31 и ВК-36. Клеевые соединения с этими клеями
характеризуются высокой длительной прочностью (свыше 1000 ч
при 30 МПа), водостойкостью и стойкостью к термовлажностному
старению. Клеи ВК-31 и ВК-36 различаются рабочими температура-
ми и режимом отверждения. По сравнению с другими отечествен-
ными пленочными клеями клей ВК-36 обладает наилучшим
сочетанием термостойкости, прочности и ударной вязкости, что
обеспечивает большую надежность при эксплуатации соединений.
Клей 1К-78 представляет собой двухкомпонентную пастообраз-
ную композицию, состоящую из эпоксидно-кремнийорганической
смолы Т-78 и смеси порошкообразных наполнителей и отвердите-
ля, взятых в соотношении 1:0,8. Клей ТК-78 сочетает повышенную
термостойкость, прочность и высокую термостабильность (стой-
кость к длительному действию повышенных температур). Срок
годности приготовленного клея 5-7 ч при 20 °C.
Клеевые соединения на клее ТК-78 выдерживают воздействие
повышенных температур: 200 °C в течение 300 ч и 250 °C - 100 ч.
Клей ТК-78 является одним из основных для склеивания твердо-
сплавных инструментов.
Клей УП-5-207 является первым отечественным одноупаковоч-
ным пастообразным конструкционным клеем. Клей обладает
хорошей адгезией к инструментальным материалам, допуска-
ет склеивание недостаточно очищенных поверхностей.
При добавлении в клей полиэтиленполиамина (8-10 массовых
частей на 100 частей клея) допускается отверждение при
комнатной температуре. При этом показатели прочности клеевых
соединений снижаются на 30 - 40 %. Клей обладает хорошими
тиксотропными свойствами. Выполненные по периметру клеевые
соединения имеют шов в виде галтели или валика одинаковой
толщины без потеков. Клей УП-5-207 предназначен для инстру-
ментов, работающих при —60...+ 180 °C в условиях многократного
термоциклирования, ударных и вибрационных нагрузках. Не
изменяющаяся во времени консистенция обеспечивает возмож-
ность механизированного нанесения клея шприцами и дозатора-
ми.
Клеевые соединения сохраняют исходную прочность до 120 °C
и способны длительно (до 1000 ч) эксплуатироваться при 150 °C и
кратковременно при 200 °C.
Несмотря на невысокую термостойкость и ударную вязкость,
клей нашел широкое применение благодаря хорошим технологи-
ческим свойствам, низкой стоимости и длительному сроку хранения.
Клей ВК-20 относится к классу модифицированных полиуре-
тановых клеев и обладает более высокой термостойкостью по
сравнению с остальными. Он рекомендуется для теплонапряжен-
ных инструментов, оснащенных композитами и другими синтети-
ческими сверхтвердьми материалами. Клеевые соединения
способны выдерживать 400 °C в течение 25 ч и кратковременно
700 °C в течение 2-3 ч.
Поскольку в клее ВК-20 содержится растворитель перед совме-
щением склеиваемых деталей, необходимо их выдержать 15 мин, а
также использовать специальные приспособления-спутники,
которые помещают вместе с инструментами в термошкаф для
отверждения клея. Это существенно ограничивает область его
применения.
Для испытания клеевых соединений широко применяют метод
определения прочности при сдвиге. Металлические пластины
шириной 20 мм (рис. 4.6, а) склеивают внахлестку, длина перекры-
тия 15 мм, что соответствует площади клеевого шва Зсм2.Для
склеивания пластин используют приспособление рычажного типа
с зажимным устройством, позволяющим создавать заданную силу.
Образцы подвергают одноосному растяжению. Ось образца должна
совпадать с осью приложения нагрузки. Скорость движения захва-
та испытательной машины должна быть 10 мм/мин. Испытывают
не менее пяти образцов.
Разрушающее напряжение клеевого соединения при сдвиге,
МПа:
Tcn = P/F,
где Р — разрушающая сила; F - площадь клеевого соединения.
Этим методом пользуются для оценки качества клеев и при
входном контроле у потребителя.
Рис. 4.6. Образцы для механических испытаний клеевых соединений
инструментальных материалов:
а — на сдвиг при растяжении; б — на сдвиг при сжатии; в — на ударную
вязкость при сдвиге; г-на сдвиг при статической и ударной нагрузке;
д — на неравномерный отрыв при изгибе
Для определения прочности клеевых соединений инструмен-
тальных материалов применяют образцы (рис. 4.6, б, в), конструк-
ция которых позволяет использовать стандартные твердосплав-
ные, керамические и соответствующие им по размерам быстроре-
жущие пластины. Расчет прочности клеевых соединений и
условия испытания выполняют по ГОСТ 14759-69.
Ударную вязкость клеевых соединений при сдвиге определяют
на образцах (рис. 4.6, в) призматического типа. Метод основан на
измерении работы, затраченной на разрушение образца при дей-
ствии однократно приложенной ударной нагрузки на сдвиг. Испы-
тания проводят на маятниковом копре МК-0,5. Скорость удара
маятника 3 м/с.
Ударная вязкость при сдвиге, кДж/м2:
асд = Ак^
где А к - работа, затраченная на разрушение клеевого соединения,
кДж; F - площадь соединения.
Работу Ак определяют по шкале маятника или по формуле
Ак = mfTij - h2), здесь т - масса маятника, кг; /ц и h2 -высота
подъема груза маятника до и после удара, м. Разработанные уни-
версальные образцы (рис. 4.6, г) позволяют проводить испытания
на сдвиг как при статической, так и при ударной нагрузке. Диа-
метр образца, равный 11,2 мм, выбран специально, чтобы исклю-
чить дополнительные расчеты, так как F = 1 см2.
При испытаниях образцы закрепляют в Г-образную оправку,
допускающую вращение образца вокруг оси (рис. 4.6, б), что обеспе-
чивает приложение нагрузки по оси образца за счет его самоуста-
новки. Для определения ударной вязкости при неравномерном
отрыве (с изгибом) разработаны специальные образцы, при испыта-
нии которых имитируется нагрузка, соответствующая реальным
условиям эксплуатации инструментов (рис. 4.6, д).
Стойкость клеевых соединений к действию СОЖ, атмосферных
условий, химических реагентов и температур определяется срав-
нением прочности образцов, выдержанных в течение определенно-
го времени в соответствующих средах, с прочностью контрольных
образцов, не подвергавшихся воздействию среды. Длительность
выдержки в СОЖ — 30 сут., в атмосферных условиях - 1 год, при
повышенных температурах 10-100 ч.
4.4. ТЕХНОЛОГИЯ СКЛЕИВАНИЯ ИНСТРУМЕНТА
Клееные режущие инструменты изготовляют в следующей
последовательности:
предварительная механическая обработка и клеймение ин-
струмента;
изготовление режущих элементов;
термическая обработка отдельно корпуса инструмента и режу-
щих элементов;
склеивание деталей инструментов;
окончательная механическая обработка корпуса, заточка и
доводка режущей части инструментов;
кс нтроль качества;
консервация и упаковка инструментов.
При необходимости заточку и нанесение износостойких покры-
тий на режущий элемент проводят до склеивания. Такой вариант
рекомендуется для однолезвийных инструментов, поскольку в
этом случае при склеивании необходимо обеспечить повышенную
точность базирования режущего элемента относительно корпуса
инструмента. Для многолезвийных инструментов требуется фик-
сирующая оснастка, обеспечивающая заданную точность.
Режущие элементы из твердых сплавов, керамики и компози-
тов, а также абразивных (алмазных) материалов склеивают в
состоянии поставки. При необходимости операция оксидирования
проводится после термообработки до склеивания. Заточка кле-
еных инструментов производится, по режимам в соответствии с
нормативами, принятыми для инструментальных материалов.
Клееные инструменты консервируют окунанием их на 2-3 мин
в машинное масло, подогретое до 50-60 °C.
Операция склеивания включает подготовку поверхности
деталей инструментов; приготовление клея для многокомпонен-
тных клеев; нанесение клея; совмещение и фиксацию склеива-
емых деталей инструментов; отверждение клеевого шва; контроль
качества клеевых соединений.
Подготовка склеиваемых поверхностей осуществляется в две
стадии: механическая обработка и обезжиривание.
Механическая очистка проводится путем дробеструйной
обработки стальным песком в установках закрытого типа. Давле-
ние в воздушной сети до 0,4-0,6 МПа, расстояние до обрабатыва-
емых поверхностей 100-150 мм.
Для обработки углеродистых сталей следует использовать
чугунную дробь размером 0,3-0,4 мм, для быстрорежущих сталей и
твердых сплавов - стальной песок размером 0,2-0,8 мм. Эффектив-
ность струйной очистки может быть повышена, если вместо сухого
стального песка применить суспензию, т. е. смесь абразива и
жидкой среды.
В рабочую жидкую среду вводят реактивы, замедляющие
коррозию металла и интенсифицирующие очистку поверхности.
Состав суспензии, г/л: песок кварцевый или шлифовальный
порошок карбид кремния зеленый 300-400, нитрит натрия 18-20;
кальцинированная сода 4-6. Размер фракции кварцевого песка
0,15-0,5 мм, карбида кремния зеленого 0,08-0,12 мм. Для увеличе-
ния съема металла вводят также до 1 % ПАВ (мылонафт, сульфит-
ный щелок).
Режущие элементы объемом до 5 см3 во избежание появления
трещин рекомендуется подвергать галтовке в цилиндрических
барабанах диаметром 150-200 мм, заполненных на 1/3 объема
кусковым карбидом кремния зеленым. Продолжительность опера-
ции 1 ч при частоте вращения барабана 50-100 мин-1.
Дробеструйную обработку и галтовку деталей следует прово-
дить не ранее чем за сутки до склеивания. Во избежание окисле-
ния обработанные детали следует обернуть плотной сухой бума-
гой или поместить в закрытую неметаллическую тару.
Обезжиривание как обработанных дробеструйным методом
(галтованных), так и оксидированных деталей следует проводить
водными моющими растворами в ультразвуковых ваннах УЗУ-0,25
(для малогабаритных деталей) и УЗВ-16М (для крупных деталей).
Для обезжиривания рекомендуется применять водный раствор
ТМС-31. Концентрация раствора 80 г/л, температура 70-80 °C,
время обезжиривания 5 мин. Для этой же цели применяют состав,
включающий тринатрийфосфат 16 г/л и эмульгатор „Синтамид-5”
2 г/л. Мелкие детали (пластины) обезжиривают при температуре
водного моющего раствора 90-100 °C в течение 0,5—1 мин, крупные
детали при 40-50 °C 4-5 мин. При обезжиривании в ультразвуко-
вых ваннах расстояние до преобразователей 30-60 мм.
После обезжиривания детали промывают в чистой воде и
немедленно просушивают в потоке горячего воздуха (120-150 °C)
или в термошкафу, предварительно нагретом до 150-170 °C. После
полного испарения влаги деталей считают подготовленными к
склеиванию.
Ниже приведены данные о влиянии способа подготовки повер-
хности на прочность клеевых соединений тсд, МПа:
Шлифование и обезжиривание:
23
ацетоном...................................... 16-30—
27
водным моющим раствором........................—20-31
35
то же, в ультразвуковой ванне..................—28^44—
Дробеструйная обработка и обезжиривание:
38
ацетоном.......................................—26 49
42
водным моющим раствором........................—32-52 ~
51
то же, в ультразвуковой ванне..................—48-54
Примечание. Здесь и далее в числителе приведено среднее значение, в
знаменателе — минимальное и максимальное.
Наиболее высокую прочность клеевых соединений с наименьшим
разбросом обеспечивает дробеструйная обработка с последующим
обезжириванием водным моющим раствором в ультразвуковой ванне.
Качество обезжиривания определяется по чистоте капли
растворителя, нанесенной на подготовленную поверхность. Метод
заключается в следующем. На обезжиренную поверхность детали
инструмента (образца) наносят две-три капли бензина и выдержи-
вают не менее 15 с. Затем к участку поверхности, на которую
нанесен бензин, прикладывают лист фильтровальной бумаги, в
которую полностью должен впитаться бензин. На второй (кон-
трольный) лист фильтровальной бумаги наносят тоже две-три
капли бензина. Оба листа фильтровальной бумаги выдерживают
до испарения растворителя и сравнивают их при дневном свете.
Качество обезжиривания устанавливаю! по наличию или отсутст-
вию масляного пятна или загрязнений на первом листе бумаги.
Для объективного количественного контроля качества обез-
жиривания деталей инструментов перед склеиванием рекоменду-
ется применять приборы люминесцентного контроля загрязнений,
например ПЛКД-2. При наличии масляных или жировых загрязне-
ний возникает люминесценция, уровень которой фиксируется
стрелочным прибором.
Адгезию клеев к поверхности инструментального материала
можно повысить с помощью подслоев химических адгезионных
грунтов. Одним из представителей этой группы веществ является
V-аминопропилтриэтоксисилан (продукт АГМ-9), 1 %-ный раствор
которого в толуоле наносят на обезжиренные поверхности кистью
или пульверизатором. Для удаления растворителя необходима
выдержка на воздухе при 20 °C в течение 1 ч.
Для повышения адгезии инструментальных материалов реко-
мендуется также использовать аппретирующие составы, например
3 %-ный раствор поливинилового спирта в воде. Для подготовки
4.16. Влияние подготовки наполнителей на прочность клеевых соединений
Подготовка наполнителя 1 , МПа сд’ Коэффициент вариации предела прочности клеевых соединений, %
В состоянии поставки 30 21,3
Просушивание 38 18,1
Обезжиривание:
ацетоном 44 15,7
этиловым спиртом 57 П.4
этилцеллозольвом 65 8,8
поверхности твердого сплава рекомендуется травление в растворе
хромовой кислоты в течение 10 мин при 60 °C с последующей
промывкой в воде.
Для сверхтвердых материалов рекомендуется травление в
подогретом растворе трехокиси хрома (30 г на 200 см3 воды) и кон-
центрированной серной кислоты (объем 50 см3, плотность 1,84 г/см3).
Смесь нагревают в течение 3 мин до прекращения газовыделения,
выдерживают 4-5 мин и охлаждают 5-8 мин.
Приготовление многокомпонентных клеев. Количество клея
определяют, исходя из нормы расхода: 0,2 г клея на 1 см2 склеивае-
мой поверхности.
Для увеличения прочности клеевого соединения (табл. 4.16)
порошкообразные наполнители перед введением их в клей дол-
жны быть обезжирены - промыты в этилцеллозольве, этиловом
спирте или ацетоне в течение 2-3 ч при периодическом перемеши-
вании. При обработке наполнителей в ультразвуковом поле про-
должительность обезжиривания уменьшается до 5-10 мин. Затем
наполнители просушивают в термошкафу при 180-200 °C в тече-
ние 2-3 ч, измельчают и помещают в герметичную емкость во избе-
жание попадания влаги. Многокомпонентные клеи готовят в
соответствии с нормативно-технической документацией.
Для лучшего смешивания компонентов клеев рекомендуется
использовать ультразвуковые диспергаторы. Применение, напри-
мер, диспергатора УЗДН-1 позволяет увеличить прочность кле-
евых соединений на 20 % по сравнению со смешиванием вручную
(табл. 4.17).
Для удаления пузырьков воздуха клей рекомендуется подвер-
гать вакуумированию при давлении не более 0,01 МПа. Нагрев до
50-70 °C в вакуумном сушильном шкафу типа СВИС способствует
более качественной дегазации клея.
Готовый к употреблению клей необходимо хранить при темпе-
ратуре -5...-18 °C (при длительном хранении) или при 0...+5 °C (при
кратковременном хранении).
Нанесение клеев. Пастообразные клеи наносят, как правило,
на обе склеиваемые поверхности. При малых размерах режущих
элементов допускается наносить клей либо на корпус, либо на
режущий элемент. Для улучшения смачивания рекомендуется
4.17. Влияние способа приготовления клея на прочность
клеевого соединения сталь 45 — твердый сплав Т15К6
.Способ приготовления клея Продолжительность перемешивания, мин Тсд, МПа
Вручную 15-20 52,8
36,7-60,8
Механизированный 5-8 59,2
47,9 -64,1
Ультразвуковой 0,12-0,25 62,9
57,0-69,7
перед нанесением клея нагревать склеиваемые поверхности
деталей инструментов в потоке горячего воздуха до температуры
40-60 °C. Пастообразные клеи целесообразно наносить механизи-
рованным способом с помощью шприцев и дозаторов различных
типов: поршневых-пружинных и пневматических; шнековых и
перистальтических, имеющих электропривод. Как показала прак-
тика, при малых партиях инструментов однокомпонентные пасто-
образные клеи удобно наносить с помощью полиэтиленовых бал-
лонов в виде туб вместимостью 30-100 см3, оснащаемых различны-
ми по форме наконечниками.
Для увеличения прочности клеевого шва длинномерных
инструментов типа протяжек и компенсации неплоскостности
склеиваемых поверхностей деталей после термообработки клей
армируют стеклотканью (ГОСТ 8481-75), предварительно выдер-
жанной при 250-300 °C в течение 1,5-2 ч, а затем обезжиренной в
ацетоне. После наложения на одну из склеиваемых поверхностей
стеклоткани для обеспечения полной пропитки на нее наносится
дополнительный слой клея.
Клеи марок „Инструментол” и ЭНБС растирают по склеивае-
мой поверхности корпуса инструмента, предварительно нагретой
до 150-170 °C на установке ТВЧ. Нагрев зоны склеивания должен
производиться не более 1-3 с (в зависимости от массы инструмен-
та); не допускается появление цветов побежалости.
Пленочные клеи наносят в следующей последовательности.
Вначале с одной стороны пленочного клея снимают противоадге-
зионный слой полиэтиленовой пленки, затем вырезают пленку
клея по форме клеевого соединения. Детали, подлежащие скле-
иванию, предварительно нагревают до 60-80 °C. Пленку наклады-
вают открытой стороной на склеиваемую поверхность и прокаты-
вают резиновым валиком или приглаживают тампоном. После
нанесения клея детали могут храниться в течение 1 мес. при
комнатной температуре, поскольку клеевой слой покрыт защит-
ной бумажной подложкой. После охлаждения деталей до комнат-
ной температуры бумажную подложку резким движением отде-
ляют от клея. Вторую деталь, на которой отсутствует клей,
нагревают до 60-80 °C для приведения клея в рабочее состояние,
после чего совмещают склеиваемые поверхности.
Совмещение и фиксация склеиваемых деталей инструмента.
Совмещение склеиваемых деталей производят легким притира-
нием до выдавливания клея по всему периметру клеевого шва.
Мелкоразмерные режущие элементы (пластины) устанавливают и
фиксируют в корпусе инструмента с помощью цанговых пинцетов.
Крупноразмерные режущие элементы (секции протяжек, зубчатые
рейки червячных фрез и др.) рекомендуется фиксировать в кор-
пусе инструмента с помощью пневматических или гидравличес-
ких устройств. Для повышения качества шва и производительнос-
ти труда применяют ультразвуковую обработку: давление на
приклеиваемый элемент 0,05-0,1 МПа; удельная мощность, подво-
димая к клеевому шву, 200-500 Вт/см2; частота колебаний 18-22
кГц, продолжительность обработки 5-10 с. При ультразвуковой
активации ускоряется химическая реакция отверждения клея,
происходят дегазация клеевого шва, диспергирование и внедре-
ние наполнителей в микронеровности склеиваемых поверхностей,
а также образование характерной полосчатой структуры (рис. 4.7).
Благодаря этому прочность клеевого соединения увеличивается
на 40-50 %.
Режущие элементы в виде пластин в многолезвийных инстру-
ментах (развертки, фрезы, зенкеры и т. п.) фиксируют с помощью
винтов, пружинных хомутов, изготовленных из полосы или спи-
Рис. 4.7. Структура клеевого шва после ультразвуковой активации; Х500
Рис. 4.8. Влияние режима отверждения
клея ТКМ-75 на прочность клеевых соеди-
нений
ральной пружины, колец из
теплостойкой резины или термо-
усадочной пластмассы, липкой
бумажной ленты, асбестового
шнура или отожженной стальной
проволоки. Для однолезвийных
инструментов эффективно приме-
нение многоместных приспособ-
лений с пружинными или эксцент-
риковыми фиксаторами. Для
обеспечения заданной соосности
с корпусом инструмента режущие
элементы в виде стержней фик-
сируют во втулочном клеевом соединении с помощью центровоч-
ных приспособлений кондукторного типа.
Надежная фиксация режущих элементов достигается в клее-
прессовых соединениях. Режущий элемент, имеющий рифления
на склеиваемой поверхности, запрессовывают в гладкое отверстие
или с коническим пояском. По другому варианту режущий эле-
мент в виде клина рекомендуется запрессовывать в прямоуголь-
ный паз.
Отверждение клея производится, как правило, в термошка-
фах, для повышения прочности клеевого соединения нагрев и
охлаждение рекомендуется производить вместе с термошкафом.
При оптимизации режима отверждения получена зависимость
(рис. 4.8), которая позволяет не только определить оптимальный
режим отверждения, но и оценить уменьшение прочности клеевых
соединений в случае отступлений от установленного режима
склеивания инструмента.
Исследования режима отверждения клеев УП-5-207 и ВК-31 [5]
показали (табл. 4.18), что оптимальная температура отверждения,
для обоих клеев должна быть на 20-25 °C ниже, чем рекоменду-
емая разработчиками. Время выдержки соответственно должно
быть увеличено. Экспериментально установлены следующие
оптимальные режимы отверждения: для клея ВК-31 температура
150 °C, выдержка 2,5 ч; для клея УП-5-207 температура 115-120 °C,
выдержка 1,5 ч.
Важное значение для отверждения клея имеет также скорость
нагрева и охлаждения, определяемая как электрической мощнос-
тью термошкафа, так и массой помещенного в него инструмента
(рис. 4.9). Наиболее высокая прочность клеевых соединений обес-
печивается при скорости нагрева 4-5 и скорости охлаждения
4.18. Влияние параметров режима отверждения
на прочность клеевых соединений
Режим отверждения Тся.МПа
t,*C Т, мин
Клей УП-5-207
185 90 484
420-522
115 90 765
720-780
185 30 512
445 -573
115 30 691
560 -700
150 60 608
585 -630
Клей ВК-31
150 90 688
542-800
200 90 295
121 -532
150 150 720
708-785
200 150 510
476-540
175 120 540
448 -596
0,7-1,5 °С/мин. При загрузке термошкафа инструментами, имею-
щими значительную массу, прочность клеевых соединений может
уменьшиться (рис. 4.10) вследствие уменьшения скорости нагрева
и охлаждения при отверждении клея. Причем первый из указан-
ных параметров наиболее важный.
В процессе отверждения необходимо соблюдать равномерный
нагрев всего инструмента, иначе могут возникнуть локальные
напряжения и зоны клеевого шва с недоотвержденным и переот-
вержденным клеем. Во избежание этого нагревательные камеры
термошкафов необходимо оснащать вентиляторами или приме-
нять термошкафы с принудительной циркуляцией подогретого
воздуха - печи аэродинамического подогрева (например, ПАП-4М),
при эксплуатации которых перепад температуры в рабочей камере
±5 °C.
Для склеивания инструментов можно использовать установки
индукционного нагрева токами высокой частоты (например, ВЧИ
25/440). Они рекомендуются для склеивания мелкоразмерных
осевых инструментов (расточных резнов, сверл, разверток, метчи-
Рис. 4.9. Влияние массы ти загружаемого в термошкаф инструмента на
скорость нагрева т„ и охлаждения т при отверждении клея УП-5-207:
а — т= 35 кг, vH = 1,8 *С/мин, vox„ = 1),2...0,4 *С/мин; б — m = 25 кг, vH =
=2,1 “С/мин, vox„ = 0,3...0,5 *С/мин; в - пк, = 15 кг, vH = 2,4 ’С/мин, voxn =
= 0,4...0,7 'С/мин; г — ти=5 кг, vH = 3,4 ’С/мин, vOXJI= 0.7...1 *С/мин
Рис. 4.10. Влияние массы ти инструмен-
та на прочность клеевых соединений (1,
П, Ш, ГУ соответствуют режимам отвер-
ждения клея УП-5-207, приведенным на
рис. 4.9, а -г)
ков), а также при склеивании крупных серий инструментов, так
как для каждого вида инструмента необходим индуктор опреде-
ленной формы, обеспечивающий локальный нагрев инструмента в
зоне клеевого шва. Прочность при сдвиге и ударная вязкость
клеевых соединений на основе клея ЭНБС составляют 75 МПа и
23,4 кДж/м2 при отверждении на установке ТВЧ в течение 2-3 с с
последующим доотверждением в термошкафу в течение 0,5-1 ч и
63 МПа и 18,9 кДж/м2 при отверждении по установленному режиму
180 °C в течение 3 ч. При нагреве на установке ТВЧ эффективны
клеи, содержащие ферромагнитный наполнитель (например, кар-
бонильное железо), который, взаимодействуя с высокочастотным
электромагнитным полем, возникающим между витками индук-
тора, способствует интенсификации процесса отверждения клея
(табл. 4.19).
Контроль качества клеевого соединения осуществляется на
образцах, склеенных одновременно с партией инструмента. Пра-
вильность совмещения склеенных деталей инструментов опреде-
ляют визуально по равномерности выдавливания клея по пери-
метру соединения. Механические испытания образцов проводят
до заточки инструмента. При прочности клеевых соединений
образцов на 20 % ниже предусмотренной документацией на соот-
ветствующие клеи все инструменты данной партии бракуют.
Неразрушающий контроль клеевых соединений инструментов
рекомендуется проводить с помощью акустического дефектоско-
па АД-60С, измеряющего амплитуду механических колебаний,
возбуждаемых в зоне клеевого шва.
Другой метод неразрушающего контроля качества клеевых
соединений, рекомендуемый для мелкоразмерных инструментов,
основан на определении жесткости стыка клеевого соединения.
На приборе [А. с. № 905735 (СССР)] измеряют смещение режущей
пластины относительно корпуса инструмента при нагружении ее
силой определенной величины, ориентированной в пространстве и
имитирующей силу резания. Жесткость стыка в зоне соединения
определяют как отношение приложенной силы к измеренному
184
4.19. Относительная прочность клеевых соединений при различной технологии
склеивания инструментов (значения коэффициента Т — см. раздел 4.2)
Приготовление клея Подготовка поверхностей Температура на- несения клея, •с Совмещение и фиксация скле- иваемых дета- лей Коэффициент Т сравнительной прочности кле- евых соедине- ний
Подготовка наполнителей Смешивание компонентов Обработка Обезжиривание
Состояние поставки Ручное Шлифование Ацетоном 20 Ручное 0,6
Дробеструйная 20 0,78
Обезвоживание Шлифование 20 0,65
Водным мо- ющим раствором 20 0,76
То же, с ультразвуком 20 0,92
Обезжиривание ацетоном Дробеструйная Ацетоном 20 1.0
Шлифование 20 0,95
Обезжиривание эфиром Дробеструйная 20 1.И
Обезжиривание ацетоном Водным мо- ющим раствором 20 1,22
Продолжение табл. 4.19
Приготовление клея Подготовка поверхностей Температура на- несения клея, •с Совмещение и фиксация скле- иваемых дета- лей Коэффициент Т сравнительной прочности кле- евых соедине- ний
Подготовка наполнителей Смешивание компонентов Обработка Обезжиривание
Обезжиривание ацетоном Ручное Дробеструйная Водным моющим раствором с ультразвуком 20 Ручное 1,35
Обезжиривание эфиром 20 1,49
Обезжиривание этилцеллозольвом Ацетоном 20 1,76
Обезжиривание спиртом Механизи- рованное 20 1,60
Ультразву- ковое 20 1,76
Ручное 100 1,71
Обезжиривание этилцеллозольвом Ультразву- ковое Водным мо- ющим рас- твором с ультразвуком 100 Ультразву- ковое 1,9
перемещению. Этот параметр используется как показатель качес-
тва соединения: большему относительному перемещению пласти-
ны соответствует более низкое качество склеенного инструмента.
4.5. ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНАСТКА ДЛЯ
СКЛЕИВАНИЯ ИНСТРУМЕНТА
Пескоструйные установки (табл. 4.20) применяют для механи-
ческой очистки деталей инструментов перед склеиванием. Для
очистки применяют чугунную или стальную колотую дробь (ме-
таллический песок). Твердость песка 51-56 HRC3. Основная фрак-
ция песка имеет размер 0,3-0,8 мм.
4ДО. Оборудование для пескоструйной очистки поверхностей перед склеиванием
Характеристика Г-93А Г-147 АД-2 ПД-1 Г-47
Масса загружа- емой дроби (песка), кг 100 250 150 2 100
Избыточное да вление воздуха в сети, МПа 40-50 50-60 60-70 50-60 t Ю—50
Масса очища-. емых деталей, кг 1-10 10-150 10-50 1-5 25-50
Размеры стола, мм 400X700 0 1200 2000X2000 1000X1000 550
Потребляемая мощность, кВт 0,2 2,8 — — 2,2
Размеры уста- 1500ХЮ00Х 4400Х1660Х 1185ХЮ00Х ЮООхЮООх 1500Х1270Х
новки, мм Х2300 Х1660 Х2000 Х1000 Х1630
4Д1. Оборудование для ультразвуковой очистки
деталей инструментов перед склеиванием
Характеристика Настольные Напольные
УЗУ-0,1 УЗУ-0,25 У 1У-0.4 УЗВ-16М УЗВ-18М УЗУ-1-0,6-0
Мощность генера- тора, кВт 0,1 0,25 0,4 3,2 6,4 0,63
Рабочая частота, кГц 18 18 18 22 22 22
Потребляемая мощность, кВт 0,1.' 0,4 1 5 10 6
Рабочий объем ванн, л 1 5 5 84 163 15
Интенсивность излучения, Вт/см2 0,6 0,6 1 2,5 2,5 1,2
Размеры установ- 300Х500Х 800Х800Х 1000Х800Х 2000Х 3000Х 1100Х650Х
ки, мм Х400 Х400 Х450 х 1000Х Х1600 хюоох Х1600 Х915
Ультразвуковые ванны (табл. 4.21) рекомендуется использо-
вать для обезжиривания деталей инструментов.
Установки УЗУ-0,1; УЗУ-0,25 и УЗУ-0,4 представляют собой
комбинацию генераторов соответствующей мощности и ванн
различного объема. Ультразвуковая и промывочная ванны смон-
тированы в общем корпусе. В дно первой ванны встроен ультразву-
ковой пьезокерамический преобразователь. Детали инструментов,
подвергающиеся очистке, загружают в корзину, помещаемую над
ультразвуковым преобразователем на расстоянии 30-50 мм. После
ультразвуковой очистки детали промывают во второй ванне и
просушивают. Для повышения эффективности очистки водными
моющими растворами в ванны могут быть помещены трубчатые
эл ек тронагреватели.
Механические клеемешалки представляют собой штатив, на
котором укреплен электрический или пневматический привод;
передающий вращение рабочим элементам, частота вращения
100—300 мин"1. Форма рабочих элементов (активаторов) должна
обеспечивать минимальное попадание воздуха в клей. Кронштейн
должен быть снабжен механизмом вертикального перемещения
привода для постепенного ввода и вывода активатора из емкости
с клеем.
В комплект ультразвукового диспергатора УЗДН-1 входят
ультразвуковой генератор мощностью 400 Вт, комплект ультразву-
ковых преобразователей (головок) с рабочей частотой колебаний
18, 22 и 35 кГц, амплитуда колебаний 20-50 мкм и штатив для
крепления в стационарном положении. Для эксплуатации диспер-
гатора требуется принудительное водяное охлаждение преобра-
зователя.
Ультразвуковая установка УПУ-1, применяемая для интенси-
фикации процесса смешивания клея и очистки склеиваемых
поверхностей при их обезжиривании, не требует при эксплуатации
принудительного водяного охлаждения.
Шприцы-дс тторы для нанесения клеев различных конструк-
ций приведены на рис. 4.11. При больших склеиваемых поверхнос-
тях для нанесения клеев средней вязкости целесообразно приме-
нять высокопроизводительные шнековые шприцы-пистолеты (рис.
4.11, а) с приводом от электродвигателя 1. Особенность таких ус-
тройств заключается в том, что при прохождении под действием
вращающегося шнека 2 по рабочему стволу и дальнейшем экстру-
дировании через формующую насадку 3 компоненты клея допол-
нительно перемешиваются, измельчаются и уплотняются. Форму-
ющая насадка является съемной и имеет рабочее отверстие для
нанесения слоя клея необходимой ширины и толщины.
Пневматический дозатор для нанесения высоковязких клеев
(рис. 4.11, б) представляет собой трубку 3, к одному концу которой
крепят сменный наконечник 1 (тонкую трубку), а к другому — нип-
пель 5. Трубка заполняется клеем и через ниппель и гибкий
шланг 6 подсоединяется к магистрали сжатого воздуха.
Рис. 4.11. Шприцы-дозаторы для
нанесения клея:
а — шнековый; б — пневмати-
ческий; в — перистальтический
Дозирование подачи клея осуществляется за счет подбора
диаметра отверстия в сменном наконечнике и регулирования с
помощью вентиля давления сжатого воздуха, подводимого к до-
затору. Клей начинает выдавливаться через сопло трубки при
перекрытии отверстия 4. Для обеспечения лучшего прохождения
клея и меньшего его налипания на внутреннюю поверхность
формующей насадки 2 ее корпус изготовляют из фторопласта.
Для нанесения клея на малые площади поверхности удобны в
эксплуатации дозаторы перистальтического типа, например фирм
EFD (США) и „Loctite” (Англия) (рис. 4.11, в), обеспечивающие точ-
ное дозирование порций подаваемого клея до десятых и сотых
долей грамма. Принцип действия дозатора основан на периоди-
ческом пережимании заполненного клеем эластичного шлан-
га 1 роликами 2, укрепленными на вращающемся рабочем коле-
се 3. Доза подаваемого клея регулируется диаметром рабочего
колеса и расстоянием между роликами. На один конец гибкого
шланга устанавливается формующая насадка 4, на другой конец -
емкость 5 с клеем. Дозаторы указанного типа наиболее совершен-
ны по своей конструкции не только благодаря высокой точности,
но и отсутствию частей, соприкасаемых с клеем, за исключением
эластичной полимерной трубки, которая в конце смены может
быть легко промыта или заменена новой.
Применение перечисленных средств предполагает использо-
вание однокомпонентных пастообразных клеев (УП-5-207, ВК-28 и
„Инструментол”), имеющих длительный срок хранения при сохра-
нении постоянной исходной вязкости.
Для улучшения смачиваемости склеиваемой поверхности
рекомендуется нанесенный слой клея обрабатывать ультразвуко-
вым шпателем, который представляет собой плоскую насадку к
УЗ-преобразователю, подключаемому к генератору установки
УПУ-1. Шпатель обеспечивает более полное заполнение микро-
рельефа склеиваемых поверхностей, дегазацию слоя клея и по-
вышение его однородности.
Пневматические и гидравлические сборочные приспособле-
ния. Для постоянной фиксации деталей инструментов при отверж-
дении клея применяют многоместные приспособления с пружин-
ными или эксцентриковыми кулачковыми зажимами. При малых
размерах инструментов такие приспособления в собранном виде
помещаются в нагревательную камеру. При склеивании крупнораз-
мерных и длинномерных инструментов в приспособление встраи-
вают трубчатые электронагреватели, а также термопары для
контроля температуры в зоне клеевого шва. При этом происходит
более эффективный по сравнению с конвекционным контактный
нагрев клеевого шва, который осуществляется путем теплопере-
дачи через корпус приспособления и инструмента. Регулирование
температуры производится с помощью многопозиционного элект-
ронного потенциометра КСП-4, к которому подключены 4-12
термопар, установленных по периметру клеевого шва.
Электрические термошкафы и печи сопротивления. Инстру-
менты средних размеров и мелкоразмерные склеиваются в термо-
шкафах типа СНОП, СВИС и др. Они обеспечивают температуру до
350 °C, мощность 2-4 кВт, размеры нагревательной камеры от
400x400x300 до 600x600x800 мм. Недостатком этих термошкафов
является большой перепад температур по высоте рабочего про-
странства внутри камеры (до 50-100 °C) из-за отсутствия принуди-
тельной вентиляции. Поэтому крупноразмерные инструменты
склеиваются в печах с
выдвижным поддоном
(подом), оснащенных
принудительной венти-
ляцией воздуха внутри
нагревательной камеры.
Установка для поли-
меризации клеевых
соединений крупнораз-
мерных инструментов
приведена на рис. 4.12. В
Рис. 4.12. Установка для поли-
меризации клеевых соедине-
ний:
1 - нагревательная камера; 2 —
корпус; 3 — откидные двери; 4 -
электрокалорифер; 5 — вентиля-
тор; 6 — тележка
4.22. Оборудование для полимеризации клеев
Характеристика ОКБ8115 СЗП235Б НПО, Д’емдеталь”
Мощность, кВт 12 31 14,5
Максимальная тем- пература в рабочей камере, *С 300 250 300
Точность регулиро- вания температуры, "С ±5 ±5 ±5
Размеры рабочего пространства, мм 640X600X1150 850X1200X1600 700X730X1200
Размеры установ- ки, мм 1050X950X1950 1720X1780X3100 2940X1110X2170
Примечание. Способ теплопередачи конвекционный с принудительной
вентиляцией.
комплект установки производства НПО „Ремдеталь” (табл. 4.22)
входят две тележки 6 и передвижное загрузочное устройство.
4.6. ОПЫТ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КЛЕЕНОГО
ИНСТРУМЕНТА
Практика показывает, что клеевые соединения целесообразно
применять в режущих инструментах, предназначенных для чисто-
вой обработки, в том числе с прерывистым резанием, где невелики
силы резания и незначительное тепловыделение в зоне резания.
Клеевые соединения рекомендуется применять в многолез-
вийных режущих инструментах, основным критерием работоспо-
собности которых является размерная стойкость, а переточка
производится на заточных и шлифовальных станках, обеспечи-
вающих постоянство заданного режима заточки. К таким инстру-
ментам можно отнести развертки, зенкеры, метчики, протяжки,
резьбовые и червячные фрезы.
Более тщательно необходимо подходить к разработке клееных
однолезвийных инструментов, если их заточка и последующие
переточки производятся вручную на точильно-шлифовальных
станках, где трудно обеспечить стабильность режима резания и
возможны прижоги.
Учитывая достигнутый уровень прочности клеевых соедине-
ний, малую площадь соединения и тяжелые условия эксплуата-
ции, не представляется возможным рекомендовать их для некото-
рых инструментов, оснащенных твердосплавными пластинами, -
отрезных резцов, торцовых фрез, спиральных сверл и др.
Ниже приведены конструкции клееных инструментов, приме-
няемых на предприятиях машиностроения.
Инструмент общего назначения. Резцы. Расточные резцы,
оснащенные вклеенным элементом из твердого сплава Т30К14 в
Рис. 4.13. Резцы, оснащенные вклеенными твердосплавными элементами:
о — расточной резец-вставка; б — расточной с цельнотвердосплавной рабо-
чей частью; в — дисковый резьбовой; г — подрезной
виде столбика (рис. 4.13, а), допускают в 2-2,5 раза больше пере-
точек, чем резцы традиционной конструкции, имеющие режущие
элементы в виде пластины.
Клееные резцы-вставки внедрены на операциях растачива-
ния отверстий в деталях из стали 45; скорость резания v = 150...
300 м/мин; подача S = 0,1 мм/об; глубина резания г=0,5...2мм, ох-
лаждение 5 %-ным раствором эмульсола: шероховатость обработанной
поверхности Ra^l мкм.
Разработана конструкция клееных расточных резцов с цельно-
твердосплавной рабочей частью и стальным хвостовиком (рис. 4.13, б).
Термическая, механическая обработка, а также заточка их
производятся до склеивания. Для склеивания применяют эпок-
сидный клей холодного отверждения на основе смолы ЭД-20. Это
позволяет отказаться от использования нагревательных устройств
для отверждения клея, так как процесс проходит при комнатной
температуре в течение суток. При этом отпадает необходимость в
транспортных операциях, поскольку склеивание, благодаря своей
простоте, производится на слесарном участке.
Разработана конструкция клееных резьбовых резцов, пред-
назначенных для нарезания наружной и внутренней резьбы на
бурильных трубах и соединительных муфтах к ним. Резец (рис.
4.13, е) состоит из режущей части (твердый сплав Т15К6) и звез-
дочки из стали 40 X, твердость 44—48 HRCS. Звездочка вклеивается
в отверстие режущей части пастообразным клеем УП-5-207. Резь-
бовые клееные резцы применяют при нарезании резьбы на буриль-
ных трубах из стали 36Г2С (твердость 24-28 HRCJ, на трубонарез-
ных станках 9М14, v = 68,5 м/мин, частоте вращения п=315 мин-1,
.5=5,08 мм/об, число рабочих ходов-пять, без охлаждения, длина на-
резки 48 мм. Применение клееных круглых резцов взамен резцов
стержневого типа позволяет в 10 раз увеличить число переточек.
Наиболее надежным для резцов является пазовое клеемеха-
ническое соединение с двусторонним поднутрением под углом
10-15° (рис. 4.13, г) типа ласточкин хвост [А. с. 1006071 (СССР)].
Для чистовой обработки сталей и чугунов с твердостью 35-60
HRCS эффективно применение клееных резцов, оснащенных
пластинами из керамики ВСЖ-60 (клей ТК-78). Геометрические
параметры режущей части: передний угол у=-6°, главный задний
угол а=6°, углы в,плане (₽=(₽ t=45o (для формы 2010-0161) и ф=ф, =
= 60° (для формы 2010-0162). Применение клеевого крепления
пластин устраняет остаточные напряжения и упрощает конструк-
цию.
Для повышения стойкости инструмента путем уменьшения
вибраций предложено выполнять корпус резца составным из
набора пластин, склеенных между собой по плоскостям, парал-
лельным опорной поверхности державки [А. с. 931299 (СССР)]. При
4.23. Допустимые режимы резания клееными резцами
Гкл>см^ h, мм t, мм S, мм/об
1-2 2-3 0.5 ОД
3-4 1 0,1
3-4 1 0,15
2-3,5 4-5 1 0,2
5-6 1,5 0,2
3-4 2 0,2
4-5 2,5 0,2
3,5-5,5 5-6 3 0,25
6-8 4 0,3
5-6 5 0,3
6-8 6 0,4
5,5-10 10-12 7,5 0,5
12-15 10 0,5
Примечание. Параметры режимов резания соответствуют точению стали
12Х18Н9Т (0в = 600 МПа) токарными проходными резцами без охлаждения с v =
= 80 м/мин.
Рис. 4.14. Расточные резцы с вклеенными элементами из
сверхтвердого материала:
а - державочный резец; б - резец-вставка
нагружении силами резания тонкий слой клея между пластинами
воспринимает колебания, в результате чего энергия рассеивается
внутри вязкоупругого слоя клея, и вибрации гасятся.
В табл. 4.23 приведены предельно допустимые режимы реза-
ния клееными проходными резцами в зависимости от площади
клеевого соединения FKn и толщины h пластины. Для успешной
эксплуатации клееных резцов без СОЖ необходимо, чтобы отно-
шение фактически срезаемого объема металла к предельно до-
пустимому составляло 0,3-0,8. При значении этого отношения
больше единицы соединение может разрушаться из-за перегрузки.
Для растачивания отверстий в деталях штампов из закален-
ных сталей (50-62 HRC3) разработаны конструкции расточных
резцов двух типов, оснащенных СТМ: державочный резец и ре-
зец-вставка. В державочном резце (рис. 4.14, а) режущий элемент
из сверхтвердого материала расположен на цилиндрической
поверхности рабочей части. Он вставляется в глухое отверстие
так, чтобы высота его выступающей части hB = 1...1,5 мм. Крепле-
404.
i, noiu - |ениш синтетическими сверхтвердыми материалами
Режущий элемент Резец Размер (см. рис. 4.14, о), мм
h h' <Г
Карбонадо Расточной 4 - 20
Эльбор-Р Расточной 2,5 18 18
Эльбор-Р Резец- вставка 3 3,5 -
Эльбор-Р Резец- вставка 3 3,5 —
Карбонадо Резец- вставка 4 3,5 —
V, м/Мин «0. мм/об t, мм Обрабатываемый материал Стойкость,
20 0,07 0,12 Ст. 3 цементован- ная, 50 HRC3 4
0,07 0,07 0,15 Сталь ШХ15, 62 HRC, 1,5-3
80 0,05 0,15 Сталь 9ХС, 60 HRC, 1
300-350 0,05-0,1 0,1-0,3 Сплав АК12М2 и АЛ9 8-10
120 0,1 0,25 Сплав САС-1 1,5-3
ние режущего элемента осуществляется высокотермостойким
клеем ВК-20, в состав которого для повышения теплопроводности
введен порошок алюминия АСД-1. В резце-вставке (рис. 4.14, б) эле-
мент из сверхтвердого материала также вклеивается в глухое
отверстие, расположенное в центре, которое затем при обработке
установочной базовой поверхности прорезается. Режимы резания
приведены в табл. 4.24.
Для изготовления многогранных неперетачиваемых пластин
из СТМ разработан оригинальный способ крепления пластин в
блок с помощью термореактивного клея, для отверждения кото-
рого используется теплота, выделяемая в процессе шлифования
заготовок [А.с. 814574 (СССР)]. Режимы шлифования рассчиты-
ваются таким образом, чтобы к концу шлифования последней
грани произошла полная термодеструкция клея и блок пластин
разъединился.
Для повышения надежности крепления режущих элементов
из СТМ в корпусе инструмента предложен способ [А.с. 618203
(СССР)], согласно которому предварительно металлизированный
режущий элемент вклеивают по основанию в гнездо конической
формы в корпусе инструмента, а затем зазор по боковым поверх-
ностям заполняют гальваническим способом, например медью.
Клеевые соединения применяют в конструкциях резцов с
механическим креплением многогранных неперетачиваемых
пластин из твердых сплавов для крепления опорной пластины.
Это обеспечивает увеличение жесткости и вибростойкости резца,
способствует повышению точности обработки и износостойкости
режущей пластины.
Фрезы (табл. 4.25). Для повышения надежности крепления
режущие элементы устанавливают в П- и V-образные пазы. При
тяжелых условиях эксплуатации режущие элементы дополни-
тельно закрепляют шпильками или клиньями. Для увеличения
стойкости концевых фрез, оснащенных винтовыми твердосплав-
ными пластинами, упрощения изготовления и многократного
использования корпуса предложено твердосплавные пластины
устанавливать в обоймы, имеющие пазы клиновой формы [А. с.
729008 (СССР)]. Режущие пластины в обоймах и сами обоймы в
корпусе закрепляют с помощью клеевого соединения в винтовых
пазах с помощью клеевого соединения различной термостойкости.
Причем пластины закрепляются клеем более высокой термостой-
кости, чем обоймы в корпусе. Разборка фрезы после износа пла-
стин осуществляется путем нагрева до критической температуры
для клея, соединяющего обоймы. При этом сохраняются твердость
и прочность корпуса, отсутствует термическая деформация.
В часовой промышленности нашли применение чашечные
охватывающие фрезы для фрезерования корпусных деталей типа
колец. Фреза представляет собой прямоугольную чашку (рис. 4.15),
по открытому торцу которой прорезаны П-образные пазы для
размещения твердосплавных пластин. Особенность фрез заключа-
4.25. Режимы резания при эксплуатации клееных фрез
Фреза Материал режущей части Клей Обрабатываемый материал т, м/мин Sq, мм/об; SM, мм/мин
м м
Концевая: £>=50 мм, 2=8 Т5К10 Т-73 КИ-78 Сталь 50 240 $0=0,1 1,8 -
£>=30 мм, 2=6 Угловая Т15К6 Т-73 КИ-78 30ХГСА 174 $0-0,36 0,7 —
£>=170 мм В=24 мм Р6М5 ТС-77 Сталь 35 101,4 $м - 300 мм/мин 20 40X20
Пазовая D = 56,5 мм ВК-8 КИ-78 Сталь 40Х 56,0 $0 = 0,6 об/мин, $м=200 мм/мин 24,6 500X56,5
Резьбовая D= 75 мм Р6М5 ВК-9 Сталь 45 27,5 $м=230 мм/мин 1 80
При эксплуатации испольэовали в качестве СОЖ эмульсию ЭГТ.
Рис. 4.15. Чашечная фреза для фрезерования корпусных деталей
ется в том, что перед склеиванием твердосплавные пластины
затачивают по передней и двум задним (основной и вспомогатель-
ной) поверхностям.
При склеивании пластины фиксируют с помощью контрольной
оправки на заданный диаметр обработки. Точность базирования
пластин в радиальном направлении 0,05 мм обеспечивается за
счет установки оправки в шлифованное с допуском 0,05 мм отвер-
стие в корпусе фрезы. Для склеивания применяют пастообразный
клей УП-5-207. Отверждение клея производится вместе с оправ-
кой.
Рис. 4.16. Червячные фрезы с вклеенными зубчатыми рейками из твердого
сплава (а) и быстрорежущей стали (б — г)
В табл. 4.25 представлены режимы резания клееными фрезами.
Инструмент для зубообработки. Разработаны составные чер-
вячные фрезы клееной конструкции с модулем 0,3-18 мм и диа-
метром 25-300 мм, оснащенные режущими элементами из твердых
сплавов и быстрорежущей стали.
Применение мелкомодульных клееных червячных фрез вза-
мен монолитных твердосплавных позволяет сэкономить 100 г
твердого сплава на одну фрезу, что составляет 2/3 массы фрезы
(рис. 4.16, а). Пластины 2 устанавливают в пазах корпуса 1 фрезы с
зазором 0,1-0,15 мм. Для уменьшения трудоемкости при шлифо-
вании профиля и увеличения числа переточек для червячных
фрез применяют пластины с криволинейной очерченной по радиу-
су поверхностью, которая при установке пластины в паз корпуса
совпадает с затылованной поверхностью рейки, образуя необхо-
димый спад 1,5 мм. Благодаря правильно выбранной форме твер-
досплавных пластин число допускаемых переточек увеличивает-
ся по сравнению с цельными фрезами на 30 %. Одной мелкомо-
дульной червячной фрезой в среднем нарезают 5000 колес (z =
= 42 мм) толщиной 2 мм. Контроль точности фрез при эксплуата-
ции показал, что первоначальная точность сохраняется весь срок
службы, тем самым подтверждается надежность клеевого соеди-
нения.
Освоен выпуск червячных клееных фрез средних модулей с
вклеенными зубчатыми рейками из быстрорежущей стали. Фрезы
предназначены для чистовой обработки цилиндрических зубча-
тых колес ст = 1,5—12 мм 8-10-й степени точности. Фреза (рис. 4.16,
б, в) состоит из корпуса 1, зубчатых реек 2 и фиксирующих колец 3
[А. с. №1093446 (СССР)]. Профиль зубчатых реек обрабатывается в
технологическом корпусе, после чего рейки подвергают термиче-
ской обработке и склеивают с основным корпусом. Окончательное
шлифование профиля и заточка фрез производятся так же, как у
фрез цельной конструкции.
Освоен выпуск крупномодульных червячных фрез (т = 16...
20 мм) с вклеенными быстрорежущими зубчатыми рейками. Осно-
вание реек имеет форму клина (рис. 4.16, г).
Для фрезы сборной конструкции требуется тщательное изго-
товление сопряженных поверхностей для обеспечения достаточ-
ной жесткости и исключения смещения зубчатых реек во время
работы. Применение клеевых соединений позволяет упростить
технологию изготовления червячных фрез за счет исключения
точной подгонки сопряженных поверхностей, поскольку клей,
заполняя зазоры, после отверждения образует монолитную жест-
кую конструкцию. Повышение жесткости клееной фрезы по срав-
нению с фрезой с механическим креплением зубчатых реек по-
зволяет повысить на одну степень точность нарезаемых зубчатых
колес (см. табл. 4.26).
Освоено производство червячных фрез с модулем 3,5; 4; 6; 8 мм
с вклеенными пластинами из твердых сплавов ВК60М, ВК8, Т14К8,
Т15К6. Фрезы (рис. 4.17) предназначены для чистовой обработки
закаленных зубчатых колес. Корпус фрезы предварительно терми-
чески обрабатывают до 40-45 HRCS.
Применение этих фрез позволяет заменить малопроизводи-
тельный процесс чернового зубошлифования закаленных зубча-
тых колес зубофрезерованием. Разработана конструкция сборной
червячной фрезы, оснащенной пластинами из керамики и СТМ,
Рис. 4.17. Червячная фреза с вклеенными твердосплавными пластинами для
чистовой обработки закаленные зубчатых колес
а)
Рис. 4.18. Шевер-обкатник (а) и чашечный долбяк (б) с вклеенными
фасонными элементами из твердого сплава
для чистовой обработки закаленных зубчатых колес средних
модулей [Пат. 147635 (ГДР)]. Особенностью фрезы является то, что
режущие элементы крепят не на корпусе, а на рейках-подкладках,
к которым приклеивают платы, фиксирующие положение режу-
щих элементов. Режущие элементы приклеивают к подкладкам
термостойким клеем. Склеенные рейки-подкладки закрепляются
механически с помощью сухарей, которые затем стягивают коль-
цами.
Рис. 4.19. Зубчлтыи хон с приклеенными алмазоносными пла-
стинами
Для отделочно-упрочняющей обработки незакаленных зубча-
тых колес применяют шеверы-обкатники с вклеенными твердо-
сплавными зубьями (рис. 4.18, а). Благодаря отсутствию микротре-
щин в твердосплавных пластинах, а также повышенной твердости
корпуса клееные обкатники обладают большей, по сравнению с
паяными, стойкостью. Твердосплавные клееные долбяки (рис.
4.18, б), благодаря сохранению исходных свойств ревущих элемен-
тов, также отличаются высокими эксплуатационными качест-
вами.
Для отделочной обработки закаленных зубчатых колес сред-
них и крупных модулей нашли применение алмазные клееные
зубчатые хоны [А.с. 963657 (СССР)]. Хон состоит из зубчатого венца
1 (рис. 4.19) и ступицы 2, соединенных резиновыми упругими
элементами 3, обеспечивающими демпфирование колебаний при
обработке. Зубчатый венец состоит из стального зубчатого корпуса
и алмазных пластин на металлической связке. Пластины при-
клеивают к боковым пог .рхностям зубьев клеем ВК-36 или
ВК-31.
Обработка зубчатых колес клееными алмазными хонами
позволяет удалять забоины и заусенцы размером до 0,3 мм и
уменьшить шероховатость обработанных поверхностей. При этом
производительность обработки повышается в 1,5 раза. Стойкость
клееных алмазных хонов в 2-3 раза выше по сравнению с алмазны-
ми хонами со спеченными алмазными элементами.
В табл. 4.26 приведены сведения об условиях и результатах
эксплуатации клееных зубообрабатывающих инструментов.
Протяжной инструмент. Протяжки и прошивки являются
одним из перспективных видов инструмента для перевода на
составную клееную конструкцию. Разработаны конструкции
составных протяжек [А.с. 569766 (СССР)] с вклеенными режущими
элементами (рис. 4.20, а) для обработки шпоночных пазов шириной
12-50 мм. В протяжках для обработки пазов шириной 12-32 мм
4.26. Режимы резания при эксплуатации инструментов для зубообработки
Инструмент Материал зубчатых реек Клей Обрабатывае- мый материал V, м/мин S, мм/об СОЖ Стойкость инструментов
Червячная фреза: т=0,5 мм ВК60М УП-5-207 2X13 200 0,1 Масло „Инду- Стойкость кле-
т=4 мм Р6М5К5 УП-5-207 40ХН2МА 31,4 1 стриальное-20” То же еных фрез выше цельных в 2,1 раза Стойкость фрез
т=6 мм Т14К8 УП-5-207 18Х2Н4МА 32 1 — 9-10 колес Стойкость фрезы
т=20 мм Р6М5 УП-5-207 Сталь 45Л 16 2 Масло „Инду- до переточки — одно колесо; число перето- чек 10 Фрезы имеют
Шевер-обкатник ВК-15 ВК-31 Сталь 45 75 0,14-0,2 стриальное-20” нормативную стойкость Инструмент
т=2...4 мм Зубчатый хон Алмазный ВК-31 25ХГТ п=500мин-1 0,16 Масло „Инду- имеет норма- тивную стойкость Средняя стой-
т=5...7 мм порошок АС-Б, кон- центрация 100 %, связ- ка Ml стриальное-20” кость до полного износа 4100-4200 деталей
Рис. 4.20. Шпоночные протяжки с вклеенными секциями (а, б) и пластина-
ми (в) из быстрорежущей стали
(рис. 4.20, б) режущая секция из быстрорежущей стали соединена с
корпусом по плоскости посредством клея и крепежного штифта,
установленного с натягом в разгруженной замковой части инстру-
мента [А.с. 1199493 (СССР)]. Благодаря этому штифт не ослабляет
рабочее сечение инструмента и предохраняет клеевое соединение
от воздействия усилий отрыва и среза.
В составной протяжке для обработки пазов шириной 32-50 мм
(рис. 4.20, в) режущие пластины установлены с натягом в пазах
корпуса по площадкам контакта. Для создания плотного контак-
та с корпусом режущие пластины на части периметра клеевого
соединения выполнены со скошенными боковыми поверхностями.
Отверждение клея производится после запрессовки и оконча-
тельной установки режущих пластин в пазах корпуса. Конструк-
ция узла крепления [А.с. 1124133 (СССР)] обеспечивает прочное
соединение сборных элементов. Для склеивания протяжек ис-
пользуют пленочный клей марок ВК-36 или ВК-31. Клеевое соеди-
нение устойчиво от -60 до +80 °C.
При изготовлении зубьев протяжек методом горячего гидроди-
намического выдавливания карбидная неоднородность равна 2—
3 балла, тогда как при изготовлении цельной протяжки из проката
диаметром 70 мм карбидная неоднородность 6-8 баллов.
Клеесборные шпоночные протяжки не уступают по надеж-
ности цельным стандартным протяжкам. С их применением в 2
раза сокращается расход инструментального материала; благода-
ря использованию специальных профилей [А.с. 921713 (СССР)] из
быстрорежущей стали, имеющей высококачественную структуру в
зоне режущей кромки, свойственную малым сечениям режущих
элементов, повышаются стойкость инструмента и качество обра-
ботанной поверхности.
Имеется положительный опыт создания и эксплуатации
плоских протяжек длиной 250 мм сечением 110x45 мм. Корпус
протяжки изготовляется из стали 40Х, зубьев - из быстрорежущей
стали Р6М5. Корпус закаливается до 45-50 HRCS, зубья - до 62-64
HRCS. Для склеивания используется пленочный клей марки ВК-31
или ВК-36. Раздельная термическая обработка корпуса и режущих
пластин обеспечивает жесткую опорную поверхность под пласти-
нами, а изготовление из быстрорежущей стали пластин малого
сечения облегчает их термическую обработку, уменьшает глубину
обезуглероженного слоя на поверхности пластин. Изготовление
протяжек с вклеенными пластинами снижает расход быстрорежу-
щей стали на 60-80 % и позволяет сократить трудоемкость изготов-
ления этого инструмента за счет неоднократного (до 7-10 раз)
использования его корпуса.
Клеесборная конструкция шлицевых выглаживающих проши-
вок (рис. 4.21, а) представляет собой ступенчатую оправку с закреп-
ленными на ней деформирующими кольцами и направляющей
втулкой. Деформирующие кольца снабжены вклеенными в пазы
(А.с. 569766 (СССР)] твердосплавными калибрующими элементами.
Рис. 4.21. Шлицевые прошивки с вклеенными элементами из твердого сплава
(а) и быстрорежущей стали (б)
4.27. Режимы резания при эксплуатации клееного протяжного инструмента
Инструмент Материал ре- жущей части Клей Обрабатываемый материал м/мин ММ
Протяжка шпоноч- ная, ширина В = 16 мм Р6М5 ВК-31 Сталь 45 26 од
Протяжка пазовая специальная, В = 60 Р18 УП-5-207 Сталь ХНЗОВМГ 3 0,075
Прошивка шлице- вая, D = 60 мм ВК-8 УП-5-207 Сталь 20Х цементованная 4-6 0,15
Примечание. Стойкость инструмента соответствует нормативной.
Для склеивания применяется клей УП-5-207. Применение клее-
сборных прошивок обеспечивает сокращение расхода твердого
сплава в 1,5-2 раза по сравнению с использованием цельной кон-
струкции деформирующих колец. Шлицевая прошивка с вклеен-
ными рабочими элементами из быстрорежущей стали (рис. 4.21, б)
состоит из корпуса 4, режущих секций 2, трех передних 1 и задних
направляющих 3 элементов из конструкционной стали. Рабочие
элементы (режущие и направляющие) вклеивают в П-образные
пазы корпуса прошивки из конструкционной стали. Склеивание
прошивок обеспечивает сокращение расхода быстрорежущей
стали на 90-95 %, что для одной прошивки диаметром 70 мм со-
ставляет около 12 кг. При этом коэффициент использования ме-
талла увеличивается с 0,64 до 0,9 (табл. 4.27).
Клееный инструмент для обработки отверстий включает
спиральные сверла, зенкеры, зенковки и развертки. Для цельно-
твердосплавных спиральных сверл диаметром 0,3-5 мм клеевое
соединение рабочей части является наиболее предпочтительным.
Конструкция клеевого соединения аналогична телескопическому
соединению, применяемому в расточных резцах. Для повышения
надежности соединения заготовку рабочей части сверла перед
склеиванием шлифуют по диаметру, а после нанесения на нее
клея запрессовывают по переходной посадке или с минимальным
натягом в отверстие хвостовика. Этим обеспечивается создание
контактных спиральных поясков между рабочей частью и хвосто-
виком, повышающих теплоотвод, при этом значительно уменьша-
ется биение рабочей части относительно хвостовика, так как клей
размещается только в стружечной канавке. Для склеивания
используют термостойкие клеи Т-78, ВК-28 или ВК-20.
Широкое применение находит склеивание при изготовлении
спиральных сверл с удлиненным хвостовиком. В этом случае часто
используют обычные стандартные сверла, которые закрепляют с
помощью клея в хвостови-
ке, длина’ и диаметр кото-
рого назначаются исходя из
условий обработки и разме-
ров посадочного отверстия
в патроне станка.
Для клееных разверток
предложено несколько
типов конструкций (рис.
4.22). Как хвостовые, так и
насадные клееные разверт-
ки имеют высокую надеж-
ность.
Рис. 4.22. Развертки, оснащенные
вклеенными элементами из твер-
дого сплава (а) и керамики (б)
207
I
Список литературы
1. Ерошев В. К., Козлов Ю. А., Павлова В. Д. Методика расчета паяных металло-
керамических узлов с учетом требований эксплуатационной надежности / Ресурсо-
сберегающие технологии, качество и надежность паяных изделий. М.: МДНТП, 1988,
С. 38-43.
2. Иванов И. Н., Кузнецова Г. П. Технологические процессы пайки твердосплав-
ного инструмента. М.: ВНИИТЭМР, 1987. 92 с.
3. Иванов И. Н. Технология пайки быстрорежущего инструмента в соляных
ваннах. М.: ВНИИТЭМР, 1987.27 с.
4. Иванов И. Н. Современные материалы для пайки инструмента. Обзорная ин-
формация. М.: ВНИИТЭМР, 1988. 44 с.
5. Коротков Ю. В., Имшенник К. П. Инструмент с вклеенными режущими
элементами. М.: НИИМАШ, 1983.66 с.
6. Коротков J0. В. Номенклатура и конструкции клееных режущих инструмен-
тов, Методические рекомендации. М.: ВНИИТЭМР, 1986.40 с.
7. Коротков Ю. В. Расчет, конструирование, технология изготовления и органи-
зация внедрения клееных режущих инструментов. Методические рекомендации.
М.: НИИМАШ, 1984.56 с.
8. Лкжевич В. И., Иванов И. Н., Успенский М. М. Использование методов по-
рошковой металлургии при изготовлении корпусов резцов ножей фрез//Порошко-
вая металлургия. 1987. № 8. С. 98—100.
9. Петрова А. П., Комдрагаеа Э. К., Коротков Ю. В. Склеивание инструмента и
оснастки в машиностроении. М.: Машиностроение, 1985. 184 с.
10. Справочник по пайке. М.: Машиностроение, 1984, 408 с.
11. Design advantages in brazing // Metal Constr. 1984. 16, № 10.
12. Roberts P. M. Brazing cemented carbide. Reference//Metal Construction. 1987.
19(1), p.12-18.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................... 3
Глава 1. Составной инструмент и технология его изготовления........... 5
1.1. Основные виды составного инструмента и способы получения неразъем-
ных соединений..................................................... 5
1.2. Инструментальные материалы.................................. 14
1.3. Способы получения заготовок конструктивных элементов режущих
инструментов...................................................... 21
1.4. Особенности термической обработки составного режущего инструмента
и его заготовок................................................... 23
Глава 2. Сварной инструмент.......................................... 26
2.1. Конструирование сварного режущего инструмента............... 26
2.2. Способы сварки в инструментальном производстве.............. 36
2.3. Технологические регламенты процесса сварки заготовок инстру-
мента ............................................................ 47
2.4. Оборудование для сварки..................................... 64
Глава 3. Паяный инструмент........................................... 68
3.1. Проектирование паяных соединений............................ 68
3.2. Основы пайки инструмента.................................... 78
3.3. Припои и флюсы для пайки инструмента.........................
3.4. Способы пайки инструмента.................................. 119
3.5. Особенности процессов пайки инструмента.................... 124
Глава 4. Клееный инструмент......................................... 134
4.1. Проектирование клеевых соединений...........................134
4.2. Способы склеивания..........................................160
4.3. Клеи для инструментального производства.................... 162
4.4. Технология склеивания инструмента.......................... 175
4.5. Оборудование и оснастка для склеивания инструмента..........187
4.6. Опыт изготовления и эксплуатации клееного инструмента.......191
Список литературы.................................................. 208
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
Имшенник Константин Павлович, Коротков Юрий Васильевич,
Иванов Игорь Николаевич, Фомичев Николай Иванович
СОСТАВНОЙ РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
Редактор Н. А. Лебедева
Технический редактор Р. Д- Гольдштейн
Корректор Л. Е. Сонюшкина
ИБ № 6023
Лицензия ЛР № 080003 от 15.08.91.
Сдано в набор 28.02.94. Подписано в печать 25.10.94. Формат 60x88 1/16.
Бумага офсетная. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 12,74.
Усл. кр.-отт. 12,99. Уч.-изд. л. 14,00. Тираж 2000 экз. Заказ 215 т
Ордена Трудового Красного Знамени издательство ’’Машиностроение”,
107076. Москва, Стромынский пер., 4
Отпечатано в типографии НИИ ’’Геодезия”, г. Красноармейск, Московской области,
с оригинала-макета, изготовленного в Барановичской укрупненной типографии,
225320, г. Барановичи, Советская, 80