УДК 621.9.02

К ВОПРОСУ ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

 

TO THE QUESTION OF IMPORT SUBSTITUTION OF HARD ALLOYS FOR THE MANUFACTURE OF CUTTING TOOLS

 

Памфилов Е.А., Буглаев А.М., Толстяков А.Н.

(Брянский государственный технический университет, г. Брянск РФ)

Pamfilov E. A., Bugaev A. M., Tolstyakov A. N.

 

Рассмотрены вопросы применения отечественных  твердых сплавов  для изготовления режущего инструмента, проанализированы свойства и области применения отечественных и импортных твердых сплавов, приведены рекомендации по выбору отечественных твердых сплавов. 

Questions of application of domestic firm alloys for production of the cutting tool are considered, properties and scopes of domestic and import firm alloys are analysed, recommendations about a choice of domestic firm alloys are provided.

 

Ключевые слова: импортозамещение, твердый сплав, быстрорежущая сталь, режущий инструмент, инструментальный материал, физико-механические свойства.

Key words: import substitution, the firm alloy, quick cutting steel cutting the tool, tool material, physicomechanical properties.

`

В условиях современного машиностроения при механической обработке все более широкое применение находят инструменты зарубежного производства. С одной стороны, подобная практика широко используется во многих странах мира. Однако, такое положение приводит к зависимости от зарубежных поставщиков инструментов и сдерживает развитие отечественного инструментального производства. В связи с этим разработка и рациональное применение отечественных твердых сплавов для изготовления режущего инструмента является актуальной проблемой.

Целью данной работы является анализ эксплуатационных свойств отечественных твердых сплавов и возможностей их рационального применения для изготовления режущего инструмента

Так, основными разработчиками и производителями отечественных твердосплавных инструментов являются: ФГУП «Всероссийский научно- исследовательский и проектный институт твердых сплавов и тугоплавких металлов» (ВНИИТС), ООО «Твердосплав», г.Москва и ОАО «Кировоградский завод твердых сплавов» (КЗТС).

ФГУП ВНИИТС работает в областях совершенствования технологии производства твердых сплавов, технологии нанесения покрытий на инструменты, а также исследование свойств сплавов и материалов. ООО «Твердосплав» производит и реализует пластины (напаиваемые и сменные) из твердых сплавов для токарных резцов, дисковый и концевой твердосплавный инструмент. Аналогичный инструмент производит ОАО КЗТС.

В настоящее время в промышленности находят применение вольфрамокобальтовые, титановольфрамовые, титанотанталовольфрамовые и безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС). Выбор группы и марки твердых сплавов определяется в основном условиями эксплуатации и ценой инструмента, в котором используются эти сплавы.

Физико-механические и эксплуатационные свойства твёрдых сплавов зави­сят от многих факторов, важнейшими из которых явля­ются: технология изготовления, содержание связующей фазы, размер зерен карбидов, скорость охлаж­дения при спекании, химический состав связующей фазы, уровень внутренних напряжений в фазовых составляю­щих, строение сплавов.

Физико-механические свойства различных групп твердых сплавов приведены в таблицах 1-4.

 

Таблица 1 - Физико-механические свойства вольфрамокобальтовых твердых сплавов

Марка сплава

Физико-механические свойства

Предел прочности (МПа) при

Плотность 

(ρ),
г/см3

Твердость по Роквеллу, шкала А не менее

Предел выносливости,

ГПа

Ударная вязкость, кДж/м2

Теплопроводность (λ),
Вт/(м·°С)

изгибе

сжатии

растяжении

ВК2

1200

-

-

15,1

91,5

-

-

51

ВК3

1200

-

-

15,3

89,5

-

-

50,2

ВК3М

1550

-

-

15,3

91

-

-

50,2

ВК4

1500

4030

806

14,9-15,2

89,5

-

-

50,3

ВК4В

1550

-

-

15,2

88

-

-

50,7

ВК6

1550

4310

720

14,6-15,5

88,5

0,45-0,71

20,6

62,8

ВК6М

1450

4820

964

15,1

90

-

-

67

ВК6ОМ

1300

-

-

15

90,5

-

-

69

ВК8

1700

3235

647

14, 8

87,5

-

-

50,2

ВК8В

1750

-

-

14,8

89

-

-

50,4

ВК10

1800

4040

1080

14,6

87

1,1-1,18

34,3

67

ВК10ОМ

1500

-

-

14,6

88,5

-

-

70

ВК10С

1670

4220

844

14,6

88,5

-

-

70

ВК11

1500

-

-

14,0-14,4

86

-

-

72

ВК15

2650

3580

1310

14,1

86

1,39-1,44

37,2

74

ВК15С

1960

3820

764

14,1

86

-

-

78

ВК20

2000

3380

1370

13,8

84,5

1,53-1,55

47,1

81

ВК20С

2260

3430

686

13,8

84,5

-

-

80

ВК20К

1520

2350

470

13,8

79

-

-

82

ВК25

2150

2970

594

13,1

83

-

50

83

ВК30

2400

-

-

12,7

81,5

-

-

85

 

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы имеют большой предел прочности и повышенную ударную вязкость по сравнению с другими группами, поэтому используются для обработки нержавеющих, высокопрочных и жаропрочных сталей при ударных нагрузках

Титановольфрамовые сплавы обладают большей твёрдостью, и теплостойкостью (900-1000 °С), чем вольфрамокобальтовые сплавы. Они имеют также меньший коэффициент трения и меньшую склонность к адгезии со стальной стружкой, чем вольфрамокобальтовые сплавы. Поэтому титановольфрамовые сплавы применяются для обработки резанием сталей, дающих непрерывную (сливную) стружку.

Твёрдость, износостойкость и теплостойкость титановольфрамовых твёрдых сплавов возрастают с повышением содержания карбидов титана, но при этом одновременно снижаются их механическая прочность и вязкость.

 

Таблица 2 - Физико-механические свойства титановольфрамовыхтвердых сплавов

Марка сплава

Физико-механические свойства

Предел прочности (Мпа) при

Плотность (ρ),
г/см3

Твердость по Роквеллу, шкала А не менее

Теплопроводность (λ),
Вт/(м·°С)

изгибе

сжатии

растяжении

Т5К10

1450

4410

882

12,3-13,2

88,5

20,9

Т5К12

1700

3140

628

13,5

87

21

Т14К8

1300

2940

588

11,2-12,0

89,5

16,7

Т15К6

1200

4120

824

11,0-11,7

90

12,6

Т15К6Т

1100

4120

824

11,0-11,7

91

12,57

Т30К4

1000

3230

646

9,5-9,8

92,0

-

 

Таблица 3 - Физико-механические свойства титанотанталовольфрамовых твердых сплавов

Марка сплава

Физико-механические свойства

Предел прочности (Мпа) при

Плотность (ρ),
г/см3

Твердость по Роквеллу, шкала А не менее

изгибе

сжатии

растяжении

ТТ7К12

1600

2720

1133

13.0-13.3 

87

ТТ8К6

1350

2295

956

13,3

90,5

ТТ10К8В

1617

2749

1145

13.5-13.8

89

ТТ20К9

1500

2550

1062

12,5

91

 

Таблица 4 - Физико-механические свойства безвольфрамовых твердых сплавов

Марка сплава

Физико-механические свойства

Предел прочности (Мпа) при

Плотность (ρ),
г/см3

Твердость по Роквеллу, шкала А не менее

изгибе

сжатии

растяжении

TH-20

1000

1700

708

5,5-6,0

90

ТН-30

1100

1870

780

6

88,5

ТН-50

1150

1955

815

6,2

87

KНТ-16

1200

2040

850

5,6-6,0

89

 

Для безвольфрамовых твердых сплавов характерны невысокая прочность, повышенная окалиностойкость, минимальный коэффициент трения при обработке стали, небольшая адгезия. Они применяются для получистовой и чистовой обработки на максимальных скоростях резания.

В настоящее время отечественной твердосплавной промышленностью выпускается более 50 разнообразных марок твердых сплавов, однако на машиностроительных предприятиях можно встретить лишь 8...10 наименований сплавов, и то далеко не самых эффективных.

Титанотанталовольфрамовые сплавы отличаются от титановольфрамовых сплавов большей прочностью и лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию. Они применяются для   черновой обработки стальных поковок и отливок черновой и получистовой обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов.

В таблице 5 приведены данные о применении зарубежных твердых сплавов и отечественных аналогов для различных условий эксплуатации. Однако практика эксплуатации твердосплавного инструмента показывает, что зачастую при изменении режимов резания возможны выкрашивания и сколы режущих кромок инструмента, поэтому возникает необходимость сравнительных испытаний отечественных и зарубежных твердых сплавов как в лабораторных, так и в производственных условиях.

При повышении  отдельных физико-механических свойств твердого сплава, например, твердости, универсальность его применения снижается, поэтому наиболее рациональным является комплексный подход к решению задач, связанных с проектированием твердосплавного режущего инструмента. Проектирование, изготовление и испытание режущего инструмента, отработка режимов резания должны осуществляться применительно к конкретным условиям его эксплуатации.

На условия эксплуатации основное влияние оказывают физико-механические свойства обрабатываемого материала, режимы обработки, величина ударных нагрузок. Эти условия определяют силовой и температурный режимы работы, вид износа и стойкость инструмента.

 

Таблица 5  - Сферы применения зарубежных и отечественных твердых сплавов

Зарубежные сплавы

Отечественные аналоги

Применение

1

2

3

S1P ( ИCO P10)

Sandvik Coromant

 

H1P(ИCO К10)

SandvikCoromant

 

ТТ25 Widia

(Германия)

 

TTM-S

(P10-P30, M20-M30)

Widia

 

UTi20T

(P25, K20, M20)

Mitsubishi (Япония)

 

AF1 Sumitomo (Япония)

XF1 Sumitomo

A.L.M.T.Corp.

 

 

Т80

Adamas (США)

Т60

Р10, Sandvik Coromant

 

Т60 Adamas

P20, Sandvik Coromant

 

Т50 Adamas

P30, Sandvik Coromant

 

Т25А,Sumitomo

 

 

SD-3, Teledyne

First Sterling

Т15К6, ТТ32К8

 

 

ВК6М, ТТ8К6

 

 

ТТ7К12, ТТ20К9

 

 

 

ВК6М, ВК6ОМ

 

 

 

ВК3М,ВК3

 

 

 

Сталь Р6М5

 

 

 

 

 

Т14К8

 

 

 

 

 

Т30К4

 

 

 

Т5К10,ТТ10К8В

 

 

ТТ20К9

 

 

ВК10, ВК10ОМ

Обработка легированных чугунов

 

 

Чистовая и получистовая обработка заготовок из легированных модифицированных и ковких чугунов. Фрезерование пазов в роторах турбин

 

 

Черновое и чистовое фрезерование сталей, стального литья, легированного чугуна, жаропрочных сталей

 

Точение и фрезерование сталей, чугунов, труднообрабатываемых материалов

 

 

Для свёрл и концевых фрез при обработке отверстий диаметром

0,1-0,8

Для свёрл диаметром 0,05-0,2 мм в печатных платах и тонких прорезных фрез

 

Чистовая обработка заготовок из углеродистых и легированных сталей, цветных металлов, алюминиевые сплавы

 

 

 

Получерновая  обработка заготовок из стали и стального литья

 

 

Черновая обработка заготовок из стали и стального литья

 

 

Получистовое точение конструкционных сталей

 

Точение, растачивание и нарезание резьбы в

чугунах и жаропрочных сталях, точение

заготовок из сталей с твёрдостью до 50 НRC

 

Анализ причин выхода твердосплавного инструмента позволяет отметить, что его долговечность зависит от скорости резания ,толщины срезаемого слоя и подачи(табл.6).

 

Таблица 6 - Режимы различных видов обработки

Вид обработки

Условия эксплуатации

Напряжение на режущей кромке

Скорость резанья, м/мин

Подача , мм/об

Частота ударных нагрузок,1/мин

При изгибе, МПа

При Растяжении, МПа

Точение вязких высоколегированных сталей

Черновое

45-55

0,2-0,3

100-120

1200-1500

600-1200

Получистовое

75-90

0,2-0,3

150-190

1400-1800

1100-1250

80-100

0,2-0,25

180-210

1600-1800

1150-1300

Чистовое

100-125

0,05-0,15

240-270

1850-2200

1320-1420

Точение высокопрочных высоколегированных сталей

Черновое

40-50

0,2-0,3

80-110

1200-1400

600-1100

Получистовое

60-70

0,2-0,25

130-150

1400-1600

1000-1250

70-80

0,15-0,2

150-170

1600-1800

1250-1300

Чистовое

80-90

0,07-0,15

170-190

1850-2200

1320-1420

Сверление отверстий

l < 5 D

25-35

0,04-0,05

60-80

1600-1800

1250-1300

l ≥ 5 D

25-35

0.06-0,07

80-120

1850-2200

1320-1420

Фрезерование

Торцевое

50-60

0,4-0,5

310-360

1400-1800

1100-1250

Дисковое

56-77

0,4-0,5

330-380

1600-1800

1150-1300

l-длина рабочей части сверла; D-диаметр сверла.

 

Анализ литературы [1- 10] позволяет установить марки твердых сплавов для изготовления режущих элементов инструментов (табл. 7). Однако для рационального выбора твердого сплава необходимо учитывать все факторы, влияющие на стойкость инструментов, в том числе, жесткость системы станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД), величина вибрации и другие. В связи с этим возникает необходимость создания базы данных для каждого инструмента, где учитывается его конструкция, марка твердого сплава, фирма –изготовитель, обрабатываемый материал, режимы и особенности обработки и другие данные, влияющие на стойкость этого инструмента.

 

Таблица 7 - Рекомендации по применению твердых сплавов

 

Вид и режимобработки

Марка твердого сплава при обработке сталей

Углеродистых

Легирован- ных

Инструмен- тальных

Коррозионностойких

Высокопрочных ижаропрочных

Высокомарганцовистых

Закаленных

Точение черновое

ТТ4К8, ТТ10К8Б

Т14К8, Т5К10, ТТ10К8Б

ВК6, Т14К8

ВК6-М, ВК8, ВК10ОМ, ТТ10К8Б

ВК8, Т5К12, ТТ7К12, ТТ10К8Б

 

ТТ10К8Б, ВК8

 

 

Точение получистовое

Т15К6, ТТ10К8Б

Т15К6, Т14К8, ТТ10К8Б

Т15К6, Т14К8

ВК6-М, ВК4, ТТ10К8Б

ВК6-М, Т15К6, ТТ10К8Б

ВК6-М, ТТ8К6, ТТ10К8Б

ВК3-М,

ВК6-М, Т15К6

Точение  чистовое

Т30К4

Т30К4, ВК6-ОМ

ВК3-М, ВК3

ВК6-ОМ, ВК6-М, Т15К6

ВК6-ОМ, ВК6-М, Т15К6

ВК6-ОМ, ВК6-М

Т30К4, ВК3-М

Сверление от-верстий:

l< 5 D

l≥  5 D

Т5К10, Т14К8, ВК8

Т5К10, ВК8

ВК8

ВК8

ВК8

ВК8

Т5К10, ВК8

ВК8

ВК8

ВК8

ВК8

ВК8

Фрезерование:

Торцевое

 

Дисковое

Т14К8, Т5К10,

Т14К8, Т5К10, ВК8

Т5К10, ВК8

 

ВК8

ВК6-М, ВК8

 

Т15К6, Т14К8

Т15К6, Т14К8

Т14К8, Т5К10

ВК6-М, ВК6-ОМ

ВК6-М, ВК6-ОМ

ВК6-М, ВК6-ОМ

 

 

Анализируя вышеизложенное следует отметить, что зарубежные твердые сплавы можно заменить отечественными аналогами. В тоже время возникает необходимость исследований, чтобы установить сравнительную износостойкость отечественных и зарубежных твердых сплавов в различных условиях эксплуатации и оценить экономическую эффективность применения этих сплавов.

 

Список использованных источников

1.    Верещака А.С., Кушнер В.С. Резание материалов. М.: Высшая школа, 2009. 535 с.

2.    Инструмент для высокопроизводительного и экологически чистого резания / Андреев В.Н., Боровский Г.В., Боровский В.Г., Григорьев С.Н. М.: Машиностроение, 2010.  480 с

3.    Производство и эксплуатация современного режущего инструмента /А.А. Борисов, Г.В. Боровский, В.А. Вычеров и др. М.: Издательство "ИТО", 2011. 104 с.

4.    Повышение износостойкости деталей оборудования и инструментов лесного комплекса/ Памфилов Е.А., Пилюшина Г.А.//  Актуальные направления научных исследований ХХI века: теория и практика. 2015. Т.З. № 2-1 (13-1). С. 272-278.

5.    Повышение стойкости разделительных штампов с твердосплавными режущими элементами алмазным выглаживанием/ Буглаев А.М.// Упрочняющие технологии и покрытия. 2014. № 11 (119). С. 13-16.

6.    Повышение работоспособности рабочих органов оборудования и режущих инструментов для обработки неметаллических материалов/ Пилюшина Г.А., Пыриков П.Г., Рухлядко А.С.// СТИН. 2013. № 2. С. 9-13.

7.    Способ повышения износостойкости сменных режущих элементов/ Памфилов Е.А., Пыриков П.Г. Патент на изобретение RUS 2118383

8.    Памфилов Е.А., Сиваков В.В., Грядунов С.С. Повышение износостойкости инструмента, работающего в условиях низких температур // В книге: Трибология - Машиностроению труды XI Международной научно-технической конференции. Институт машиноведения им. А.А. Благонравова. 2016. С. 183-185.

9. Остафьев В.А. Расчет динамичной прочности режущего инструмента. М.: Машиностроение 1979 168 с.

10. Буше Н.А. Трение, износ и усталость в машинах. М.: Транспорт, 1987, 233с.

11.Mizuhara. Experemental evaluation of cutting fluid penetration//Tribologia. 1992.V.11.№2.Р.20-29.

12.TodashiMakiyama Near dry machining. Technology for high capability machining center // HORKOS. CORP. IMITS 2000. Manufacturing Conferece. Sep. 2000.