Проект участка термической обработки метчиков и резцов из сталей 9Х1 и ХВГ.

Термическая обработка — это процесс нагрева металла, не позволяя ему достичь стадии расплавления или плавления, а затем охлаждения ме-талла контролируемым образом для выбора желаемых механических свойств. Термическая обработка используется для того, чтобы сделать ме-талл более твердым или более податливым, более устойчивым к истира-нию или более пластичным.
Однако, закаляясь металл делается хрупким. Если вы делаете металл пластичным, вы уменьшаете его прочность. В то время как улучшаете не-которые свойства, ухудшаются другие и относительно этого принимается решение о конечном использовании металла.
Теория термообработки. Все термические обработки включают в се-бя нагрев и охлаждение металлов, но есть три основных различия в про-цессе: температура нагрева, скорость охлаждения и типы закалки, которые используются для получения необходимых свойства. Для термической об-работки металла необходимо соответствующее оборудование, для кон-троля всех факторов, связанные с нагревом, охлаждением и закалкой. Например, печь должна быть нужного размера и типа, чтобы контролиро-вать температуру, в том числе газовую смесь в нагревательной камере, и соответствующая закалочная среда для правильного охлаждения металла.
Целью процесса нормализации является:
1. Измельчения зерна структуры сталей
2. Для повышения прочности стали
3. Для уменьшения композиционной сегрегации в отливках или по-ковки и обеспечения более однородной структуры.
Целью данной дипломной работы является проектирование участка термической обработки метчиков и резцов из сталей 9Х1 и ХВГ.

1 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕ-СКОЙ ОБРАБОТКИ
1.1 Характеристика изделий
Метчики и резцы — это инструменты, используемые для создания резьбы, которая называется нарезанием резьбы. Многие из них являются режущими инструментами; другие - формовочными инструментами. Мет-чик используется для разрезания или формирования охватывающей части сопрягаемой пары (например, гайки). Процесс нарезания или формирова-ния резьбы с помощью метчика называется нарезанием резьбы.
Оба инструмента можно использовать для очистки потока, которая называется чеканкой. Однако при использовании обычного метчика или резца для очистки резьбы обычно удаляется некоторое количество мате-риала, что приводит к более рыхлой и ослабленной резьбе. Из—за этого машинисты обычно очищают резьбу специальными метчиками и штампа-ми, называемыми чеканками, изготовленными специально для этой цели. Резаки изготовлены из более мягких материалов и не обрезают новые ни-ти. Однако они по-прежнему прилегают плотнее, чем обычные крепежные детали, и имеют рифления, как у обычных метчиков и резцов, чтобы мусор мог улетучиваться. Автомеханики, например, используют насадки на резьбу свечей зажигания для удаления коррозии и нагара.

Рисунок 1 - Метчик и Т-образный ключ

Рисунок 2 - Различные ручки для метчиков

Метчик нарезает или формирует резьбу на внутренней поверхности отверстия, создавая охватывающую поверхность, которая функционирует как гайка. Три крана на изображении иллюстрируют основные типы, обычно используемые большинством машинистов:
Метчик, показанный на рис.1 имеет непрерывную режущую кромку почти без конуса — обычно конусность составляет от 1 до 1,5 резь-бы.[2][3] Эта функция позволяет донному метчику нарезать резьбу до дна глухого отверстия. Донный метчик обычно используется для нарезания резьбы в отверстии, которое уже частично продето с помощью одного из более конических типов метчиков; конический конец ("фаска метчика") донного метчика слишком короток, чтобы успешно входить в отверстие без резьбы.
Метчик на рис. 2 имеет заостренные режущие кромки, которые по-могают выровнять метчик и запустить его в незакрытое отверстие. Количе-ство конических резьб обычно колеблется от 3 до 5 [2]. Штекерные метчи-ки являются наиболее часто используемым типом метчиков.
Маленький отвод на конце метчика похож на промежуточный отвод, но имеет более выраженную конусность к режущим кромкам. Эта особен-ность обеспечивает коническому метчику очень плавное режущее действие, которое является менее агрессивным, чем у штекерного метчика. Количе-ство конических резьб обычно колеблется от 8 до 10 [2]. Конический мет-чик чаще всего используется, когда материал труден в обработке (напри-мер, легированная сталь) или метчик имеет очень маленький диаметр и, следовательно, подвержен поломке.
Ручная или автоматическая обработка нарезания резьбы начинается с формирования (обычно путем сверления) и небольшой зенковки отвер-стия диаметром, несколько меньшим, чем основной диаметр метчика. Пра-вильный диаметр отверстия указан в таблице размеров сверла и метчика, которая является стандартным справочником во многих механических ма-стерских. Подходящий диаметр сверла называется размером метчика сверла.
При работе с мягкими материалами или материалами средней твер-дости, такими как пластик, алюминий или мягкая сталь, обычной практи-кой является использование промежуточного метчика (заглушки) для нарезания резьбы. Если резьба должна доходить до дна глухого отвер-стия, машинист использует промежуточный (пробковый) метчик для наре-зания резьбы до тех пор, пока кончик метчика не достигнет дна, а затем переключается на нижний метчик для завершения. Машинисту приходится часто выбрасывать стружку, чтобы избежать заклинивания или поломки крана. При работе с твердыми материалами машинист может начать с ко-нического метчика, менее резкий переход диаметра, которого снижает крутящий момент, необходимый для нарезания резьбы. Чтобы вставить резьбу в нижнюю часть глухого отверстия, машинист следует за кониче-ским метчиком промежуточным метчиком (заглушкой), а затем заверша-ющим метчиком.
На сегодняшний момент для изготовления резцов и метчиков приме-няют восемнадцать основных видов режущих материалов, используемых в промышленности.
Тип 1. Обычная высокоуглеродистая инструментальная сталь: до 1900 года все виды инструментов изготавливались из углеродистой ин-струментальной стали. Основными характеристиками углеродистой ин-струментальной стали являются низкая твердость и плохая закаливае-мость. Их обычно закалывают в воду.
Типичный состав простой углеродистой стали: C = от 0,8 до 1,3%, Si = от 0,1 до 0,4%, Mn = от 0,1 до 0,4%
Чем выше содержание углерода, тем больше будет износостойкость инструмента. На самом деле, когда закаленный инструмент из простой уг-леродистой стали, имеющий закаленную структуру, нагревается, более мелкие частицы цементита растворяются, и соответствующее количество цементита выпадает в осадок на более крупных частицах, как только угле-род в непосредственной близости от этих частиц успевает мигрировать в положение. Конечным результатом является меньшее количество и более грубые частицы карбида, диспергированные в ферритовой матрице и, сле-довательно, более мягкая структура. Это компенсируется путем добавле-ния вольфрама и молибдена, которые в сочетании с карбидом железа об-разуют сложные карбиды.
Углеродистые инструментальные стали легко поддаются механиче-ской обработке. Острый режущий край может быть легко обеспечен. Он имеет высокую твердость поверхности с довольно прочным сердечником. Режущая кромка теряет твердость выше 200°C и не восстанавливает ее да-же после охлаждения. Они используются для производства фрез, сверл, токарных и формовочных инструментов для дерева, магния, латуни и алюминия. Скорость резания инструментами из углеродистой стали огра-ничена примерно 0,15 м/с при использовании огромной подачи охлажда-ющей жидкости.
Тип 2. Низколегированная углеродистая инструментальная сталь: чтобы увеличить твердость инструмента, простое добавление содержания углерода делает его хрупким. Небольшие количества хрома и молибдена часто используются для улучшения закалочной способности инструмен-тальных сталей. До 4% вольфрама иногда добавляют в эти стали, чтобы улучшить их износостойкость. Эти типы материалов используются там, где требуется износостойкость. Эти стали широко используются для сверл, кранов и разверток. Их горячая твердость примерно такая же, как у угле-родистых сталей, и не является удовлетворительной для высокоскоростной токарной обработки и фрезерования.
Тип 3. Быстрорежущая сталь: внедрение быстрорежущей стали поз-волило значительно увеличить скорость обработки, что и объясняет ее название. Основными характеристиками этих сталей являются превосход-ная горячая твердость и износостойкость. Они могут сохранять свою ре-жущую твердость при температурах до 600 ° C, но быстро размягчаться при более высоких температурах. Скорость резания ограничена до 0,75-1,8 м/с, за пределами которой они быстро выходят из строя. Быстрорежу-щие стали бывают двух основных типов, а именно: вольфрамового и мо-либденового типа и кобальтового типа.
Все три элемента — вольфрам, молибден и кобальт — помогают в достижении высокой горячей твердости; первые два делают это путем об-разования сложных карбидов, а кобальт образует сплав, переходя в твер-дый раствор в ферритовой матрице и, таким образом, повышает темпера-туру рекристаллизации, так что материал может сохранять твердость, ко-торую он получает в результате деформационного упрочнения при более высокой температуре.
Выраженное превосходство высокоскоростных стальных инструмен-тов, содержащих кобальт, особенно на высокошерстных резах, обусловле-но их тенденцией к деформации затвердевания на поверхности при исти-рании или царапинах. Ванадий в быстрорежущих сталях образует очень твердые карбиды (ванадий-железо-карбид является самым твердым ком-понентом в HSS) и, таким образом, повышает износостойкость инструмен-та при всех рабочих температурах. Ванадий также помогает ингибировать рост зерна при высоких температурах, необходимых при термической об-работке. По вышеуказанной причине повышенное содержание ванадия в инструментах используется для обработки высокоабразивного материала, такого как высокоуглеродистая высокохромистая кристаллическая сталь, содержащая хром и ванадий в качестве основных компонентов. Это наиболее желательные инструменты для обработки высокоабразивного материала.
Поскольку кобальт и молибден имеют тенденцию способствовать обезуглероживанию, стали, содержащие эти элементы, должны быть из-мельчены на большую глубину в отделке, чтобы удалить обезуглерожен-ный слой, который не будет полностью затвердевать. Такая сталь также должна быть упакована в углеродистый материал при термической обра-ботке. Хром и кобальт имеют тенденцию способствовать удержанию аустенита, который имеет дальнейшую тенденцию превращаться в мартен-сит при низкой температуре, когда инструмент подвергается ударной или холодной работе, как при шлифовке, так и при использовании резки.
Из-за этого создаются большие внутренние напряжения, которые ча-сто вызывают появление трещин в инструменте, что приводит к прежде-временной поломке режущей кромки в использовании. Поэтому такие ста-ли следует закалять дважды или обрабатывать при очень низкой темпера-туре, чтобы уменьшить количество удерживаемого аустенита примерно до 5%.
В случае обычного HSS может иметь место сегрегация карбидов, ко-торая вызывает локальные изменения в химическом составе и структуре. Такие проблемы могут быть преодолены путем производства HSS мето-дом порошковой металлургии, которая способствует более тонкому и рав-номерному распределению твердосплавных частиц и лучшей однородно-сти легирующих элементов.
HSS также производится методом электрошлакового рафинирова-ния, и этот инструмент имеет равномерное распределение карбида и не со-держит включений. На свойства HSS влияет термическая обработка, и по-этому это должно быть сделано в соответствии с рекомендацией произво-дителя. Дальнейшее упрочнение поверхности возможно путем рабочей упрочняющей обработки. Режущие инструменты HSS в настоящее время покрыты слоями тугоплавкого карбида металла или нитрида методом хи-мического разложения паров.
Интересно отметить, что углеродистая инструментальная сталь тверже, чем быстрорежущая сталь при температуре ниже 250 ° C. Таким образом, с экономической точки зрения, инструменты HSS должны ис-пользоваться для высокоскоростной работы, где температура наконечника инструмента будет более 250 ° C: в противном случае следует использо-вать углеродистую инструментальную сталь (для медленных процессов резки, где температура резания относительно невелика). В настоящее вре-мя изготавливаются индексируемые вставки HSS, которые могут быть за-жаты, припаяны к корпусу из низколегированной стали.
Тип 4. Литые инструменты из кобальтового сплава (стеллиты): ряд цветных сплавов (обычно известных как стеллиты) с высоким содержанием кобальта были разработаны для использования в качестве материалов ре-жущего инструмента. Эти материалы не поддаются термической обработке и используются в качестве отлитых при температуре около 1260°C.
Коэффициент теплового расширения литого сплава такой же, как и у стали, и поэтому два могут быть паяны или сварены без проблемы тепло-вых напряжений. Стеллит тверже HSS при температуре выше 500°C. Он сохраняет твердость и режущую кромку даже при красном нагреве (750°C). Таким образом, стеллитные инструменты идеально подходят для быстрой обработки твердых металлов. Они используются для создания инструментов для форм.
Стеллит выпускается в виде прутков круглого или квадратного сече-ния для изготовления режущего инструмента; и в качестве вставок для крепления к жестким стальным фрезным корпусам.
Тип 5. Цементированные карбиды: хотя давно было обнаружено, что карбид вольфрама является очень твердым материалом, но возникли трудности при соединении мелких кристаллов карбидов вольфрама в ин-струментальные биты путем спекания (длительный нагрев сжатого матери-ала чуть ниже температуры плавления), потому что требуемая температу-ра была настолько высокой, что материал разлагался.
Таким образом, цементированный карбид является типичным про-дуктом порошковой металлургии. Цементированные карбиды очень эф-фективны при обработке чугунов и некоторых абразивных сплавов цвет-ных металлов, но как таковые не подходят для резки стали, потому что на поверхности инструмента образуются износостойкие кратеры.
Этого можно избежать, добавив в смесь перед спеканием карбиды титана и тантала, и соответственно выделяют два общих сорта:
а) состоящие из карбида вольфрама с кобальтом в качестве связую-щего вещества, для использования при обработке чугуна и цветных метал-лов. В этом сорте концентрация кобальта варьируется в пределах 3-16%. Чем выше содержание кобальта, тем больше устойчивость к ударам.
б) состоящие из карбида вольфрама, карбида титана и карбида тан-тала с кобальтовым связующим для использования при обработке стали (карбид тантала: 0-10%, TiC: 0-16%). TiC снижает склонность стружки к сварке с инструментом, повышает горячую твердость. Карбид тантала по-могает повысить устойчивость к износу кратеров и сделать структуру мел-козернистой. В этой стали размер зерна также оказывает большое влияние на свойства стали. Более крупное зерно производит мягкий металл, но большую устойчивость к ударам.
Эти необычные свойства цементированных карбидов требуют особо-го внимания при проектировании твердосплавных наконечников инстру-ментов. Из-за очень высокой жесткости цементированных карбидов они должны хорошо поддерживаться на хвостовике достаточной толщины. Инструмент должен быть настолько пропорциональным, чтобы растяги-вающие напряжения оставались небольшими.
Относительно небольшой коэффициент расширения цементирован-ных карбидов, обуславливает необходимость использования относительно тонкого слоя припоя металла, чтобы припой не трескалась при охлажде-нии в результате больших растягивающих напряжений, возникающих при дифференциальном сжатии карбида и припоя металла. С учетом свароч-ных характеристик цементированных твердосплавных инструментов под неблагоприятным давлением они должны эксплуатироваться со скоростя-ми, значительно превышающими те, которые используются с высокоско-ростными инструментами.
Можно отметить, что для обработки чугуна и стали требуется твер-досплавная марка с различными свойствами, поскольку характеристики износа обработки чугуна сильно отличаются от характеристик стали. Ни одна марка не может удовлетворить все максимальные значения трех важ-ных желательных свойств (износостойкость кромки, устойчивость к крате-рам и ударопрочность). Таким образом, компромисс в выборе должен быть сделан.
Свойства карбидов определяются размером зерна карбида вольфра-ма и чем больше кобальт, тем ниже твердость и ударопрочность. Для обеспечения длительного срока службы инструмента следует использовать инструмент с наименьшим размером зерна и самым низким содержанием кобальта, который просто предотвращает сколы и разрушения. Для резки стали добавление карбида титана улучшает износостойкость, но снижает абразивную износостойкость. Для повышения стойкости к истиранию до-бавляют карбид тантала.
Способность к удалению материала (ускоренное удаление металла без потери срока службы инструмента) карбидов условного назначения может быть значительно увеличена за счет использования пластин с по-крытием, полученных металлургическим склеиванием тонкого покрытия (толщиной 0,005 мм) карбида титана с жестким твердосплавным сердечни-ком. Это приводит к снижению коэффициента трения между инструментом и стружкой с последующим уменьшением сил резки (примерно на 35%) и снижением температуры порядка 70°C. Износ кратера также практически устранен.
Тип 6. Керамика: состоит в основном из спеченных оксидов (А12О3) и готовится в виде зажимных наконечников и в виде одноразовых вставок. Они могут использоваться на очень высокой скорости (помимо твердо-сплавных инструментов), устойчивы к наращиванию кромки и обеспечи-вают хорошую отделку поверхности. Они чрезвычайно хрупкие, поэтому их использование ограничено для непрерывных разрезов. Трение на по-верхности граблей обычно ниже по сравнению с твердосплавными ин-струментами, но температура выше, потому что это плохие проводники тепла. Для укрепления режущей кромки на режущей кромке часто забра-сывают небольшую фаску или радиус и предусматривают отрицательные грабли около 15-20°.
Тип 7. Сплавы цветных металлов включают различное процентное соотношение кобальта, хрома, вольфрама и углерода и используются для обработки твердых металлов на скоростях, превышающих те, которые ис-пользуются с инструментами HSS. Они находят широкое применение в буровых операциях. Их свойства превосходят HSS, но уступают карбиду вольфрама.
Тип 8. Невольфрамовые материалы (карбиды титана и нитриды ти-тана): нехватка вольфрама привела к внедрению карбидов титана и нитри-дов с никелем и молибденом в качестве связующих материалов. Данные сплавы являются высокопрочными.
Тип 9. Карбиды с покрытием: улучшение износостойкости и в то же время сохранение высокой ударной вязкости было достигнуто за счет нанесения покрытия из карбидов (карбида титана и нитрида титана) на твердосплавную подложку.
Тип 10. Микрозерновые карбиды: имеют очень высокую прочность на поперечный разрыв и очень хорошо подходят для тяжелых операций резки металла