Полуфабрикаты.
Исходным материалом для заготовок является выпускаемый по стандартам прокат в виде прутков круглого, квадратного, прямоугольного сечений, полос, листов, лент и прокат специальных видов для ножей, плашек и других инструментов. Могут использоваться кованые прутки и полосы, а также поковки. Все это называют полуфабрикатом.
В зависимости от метода прокатки сталь может быть горячекатаной, холоднокатаной или холоднотянутой, холоднотянутой шлифованной. Габаритные размеры, в том числе размеры сечений и другие характеристики стали, оговорены соответствующими стандартами. Тем не менее после получения стали заказчиком перед запуском в производство проверяют не только ее размеры, но и качественные характеристики.
У инструментальной углеродной стали проверяют:
а) прокаливаемость;
б) цементитную сетку по пятибалльной шкале;
в) микроструктуру для оценки обрабатываемости (желательно зернистый перлит),
г) глубину обезуглероженного слоя.
У инструментальной быстрорежущей стали проверяют:
а) химсостав;
б) карбидную неоднородность по десятибалльной шкале;
в) глубину обезуглероженного слоя;
г) трещинообразование путем многократной закалки без последующего отпуска.
Способы получения и выбор заготовок.
Во многих случаях заготовки получают путем отрезки из проката (полуфабриката).
Горячекатаная сталь используется как заготовка, когда ее сечение соответствует профилю инструмента без больших припусков.
Холоднотянутая сталь приемлема в случаях, когда се сечение близко к готовому инструменту, и что важно, прутки такой стали пригодны для зажима в цанговых патронах токарных автоматов (повышенная точность поперечного сечения прутка).
Сталь-серебрянка холоднотянутая шлифованная с точностью 8—10-го квалитета. Выгодна для мелкого инструмента без предварительной обработки по наружному диаметру.
Кованая сталь, в том числе поковка, применяется в случаях отсутствия подходящего проката или при высоких требованиях к быстрорежущей стали в отношении карбидной неоднородности.
В условиях серийного и массового производства для приближения к формам инструмента заготовки получают методом пластической деформации: объемная штамповка, гидроэкструзия (горячее гидродинамическое выдавливание), волочение, редуцирование, ротационное обжатие, поперечная, продольная и винтовая прокатка. Кроме того, с целью экономии быстрорежущей стали инструменты делают составными, используя для этого сварку, наварку, напайку, склеивание, наплавку, точное литье. Каждый из методов получения заготовок имеет свои особенности и область рационального применения.
Рассмотрим коротко методы получения заготовок.
Отрезка заготовки. Выполняют на механических и гидравлических прессах, гильотинных ножницах, вертикально-отрезных автоматах, абразивно-отрезных станках, ленточных пилах, токарных автоматах и полуавтоматах, токарных, фрезерно-отрезных, фрезерных и ножовочных станках.
Производительность отрезки убывает от первого упомянутого станка к последнему. Точность отрезки самая высокая на фрезерных станках (13-й квалитет), ниже на токарных (15-й квалитет) и самая низкая на прессах и станках с ленточными пилами и ножовочными полотнами (16-й квалитет). Наибольшая экономия быстрорежущей стали — из-за малой ширины пропила — достигается при отрезке на ленточных пилах, ножовочных и абразивно-отрезных станках.
Исходя из точности, производительности и экономии материала производят выбор метода отрезки заготовки в конкретном производстве. Этот выбор должен быть сделан таким образом, чтобы себестоимость изготавливаемого инструмента была минимальной. Ограничением может быть лишь отсутствие надлежащего оборудования на действующем предприятии, а его приобретение может оказаться экономически невыгодным. Поэтому сложилась практика использования рубки на прессах в условиях крупносерийного и массового производства, а отрезки на ленточных пилах, ножовочных и абразивноотрезных станках — в условиях мелкосерийного производства.
Свободная ковка. Свободную ковку заготовок из быстрорежущей стали применяют не только для уменьшения припуска под последующую обработку, но главным образом для уменьшения карбидной неоднородности, так как равномерное распределение карбидов можно обеспечить только механическим перемешиванием металла заготовки. Поэтому свободную ковку как метод получения заготовок используют не только в единичном и мелкосерийном производстве, но и в крупносерийном и массовом.
Сгласно требованиям к карбидной неоднородности, Московский автозавод им. Лихачева (ЗИЛ) подразделил режущие инструменты на три группы.
§ зуборезные, резьбонарезные и протяжки диаметром до 30 мм. Балл карбидной неоднородности не более 3.
§ все инструменты, кроме 1-й группы и резцов. Балл карбидной неоднородности 3—5.
§ резцы — 6-й балл карбидной неоднородности.
Ковка ведется с попеременной осадкой и вытяжкой. После многократной перековки может быть получен 1-й балл карбидной неоднородности. Чем больше поперечное сечение прутка, тем больше балл исходной карбидной неоднородности, тем длительнее перековка для получения нужного качества структуры металла. Например, для особо ответственных инструментов (шеверы, резьбовые фрезы, круговые протяжки, работающие в тяжелых условиях) ГАЗ рекомендует 9-кратную осадку с вытяжкой.
Временно-температурный режим ковки быстрорежущей стали значительно отличается от режима ковки конструкционных сталей. Теплопроводность быстрорежущей стали низкая. Поэтому нагрев надо вести медленно, с промежуточными выдержками для прогрева, чтобы не допустить появления трещин. Но окончательный нагрев от температуры 800—900 °С до температуры начала ковки (1175±25 °С) должен быть ускоренным, так как замедленный нагрев и большая выдержка при высоких температурах усиливают окисление и обезуглероживание поверхностных слоев заготовки. Ковку, в зависимости от объема заготовки, необходимо заканчивать при температуре 900—1000 °С. Такой малый интервал рабочих температур ковки — около 200 °С — является основной особенностью пластического деформирования быстрорежущей стали: высокие температуры нагрева под ковку допустить нельзя, так как увеличивается окисление и обезуглероживание поверхностных слоев материала заготовки и усиливается коагуляция карбидов, а более низкая температура окончания ковки способна вызвать трещины из-за пониженной пластичности быстрорежущей стали. Конкретные рекомендации температурно-временного режима ковки и других методов горячего пластического деформирования быстрорежущей стали можно найти в специальной литературе.
Штамповка. Используется в условиях серийного и массового производства для приближения размеров и формы заготовки к размерам и форме готового инструмента.
Холодную штамповку применяют для вырубки заготовок отрезных и прорезных фрез из листа, ножовочных полотен из ленты, пластин из полос и т.д.
Горячей штамповкой получают заготовки резцов (формирование головки резца) и насадных инструментов, таких, как зуборезные долбяки и фрезы. Коэффициент использования металла повышается на 25—50 %, на 2—3 балла снижается карбидная неоднородность быстрорежущей стали. Уменьшается трудоемкость изготовления инструмента.
Температурно-временной режим горячей штамповки приблизительно такой же, как и свободной ковки, и по тем же причинам.
Оборудование, используемое для штамповки, — кривошипные или фрикционные прессы.
Нагрев заготовок под штамповку и ковку производят в пламенных печах или индукторах высокочастотных установок.
Редуцирование. Это один из методов пластического деформирования для уменьшения поперечного сечения исходной заготовки проталкиванием ее через редуцирующий твердосплавный фильер. Используется для образования хвостовиков ручных метчиков из инструментальной углеродистой стали. Трудоемкость изготовления метчиков сокращается на 12—15 %, а расход стали на 15—18 % [142; 143]. Выполняют его на прессах или холодновысадочных автоматах.
Ротационное обжатие. Этот процесс представляет собой радиальную ковку с приложением пульсирующей нагрузки. Достигается высокая степень деформации без разрушения малопластичных инструментальных сталей. В зависимости от пластичности материала может быть холодная и горячая ковка. Форма поперечного сечения полученной заготовки соответствует форме бойков. Способ можно рекомендовать для образования хвостовиков, канавок на метчиках и других инструментах. Характеризуется высокой производительностью, низкой себестоимостью и обеспечивает большую экономию металла.
Секторная прокатка — способ уменьшения поперечного сечения заготовок или его профилирования. Отличается от непрерывной прокатки тем, что на валках ручьи не на полной окружности, а на ее части. Обеспечивается это установкой на валки 2 секторов 1 с профилем, обратным профилю будущей заготовки (рис. 3.1). В момент, когда пространство между секторами свободное, рабочий подает к упору 4 заготовку 3, которая при вращении валков 2 секторами 1 обжимается и выталкивается в сторону рабочего. Таким образом получают продольные канавки на заготовках сверл. Предварительно хвостовую часть сверла из стали 40 сваривают с рабочей частью из быстрорежущей стали, отжигают и обтачивают. Затем нагревают до 1000—1050 °С со скоростью, не допускающей обезуглероживания и окисления, электроконтактным методом, в соляной ванне или в индукторе высокочастотной установки. После прокатки заготовки завивают при температуре 740—780 °С, получая винтовые канавки Спроектированы специальные станы для прокатки канавок сверл производительностью ~250 заготовок в час, а для завивки — производительностью 250—750 шт в час.
Поперечная прокатка. После нагрева до температуры 1000—1200 °С на встроенной в стан установке ТВЧ заготовка подается на плашки и прокатывается между ними, как при накатке резьбы (см. рис. 1.66, а). Получаем заготовку сверла с винтовыми стружечными канавками. Производительность имеющихся станов — до 2000 заготовок в час. Используют для сверл диаметром 6—12 мм. Метод по производительности намного выше предыдущею, но прочность заготовок ниже, так как разрыхляется сердцевина.
Продольно-винтовая прокатка. Метод разработан и используется для получения заготовок сверл с винтовыми канавками с одного нагрева в одну операцию. Подготовленная заготовка прокатывается между двумя парами синхронно вращающихся роликов. Одна пара роликов формирует канавку сверла, а вторая — спинку. Ролики устанавливаются относительно оси сверла с разворотом на угол наклона
стружечной канавки. В зоне контакта роликов и заготовки возникают силы трения, тангенциальные составляющие которых создают пару сил, вращающих заготовку, а осевые перемешают ее вдоль оси. В результате заготовка перемещается относительно роликов по винтовой линии. Прочность сверл выше, чем при поперечной прокатке, а производительность выше, чем при продольной прокатке с завивкой.
Согласно данным исследований д.т.н. Е.Э.Фельдштейна, стойкость сверл с прокатанными канавками ниже, чем с фрезерованными, а в еще большей степени — по сравнению с вышлифованными по целому закаленному материалу. Поэтому высокопроизводительный метод получения канавок сверл прокаткой, разработанный для условий крупносерийного и массового производства, обречен на вымирание.
Поперечно-винтовая прокатка. Используется для получения заготовок червячных фрез с витками, образованными методом горячей пластической деформации. В прокатном стане применены валки с кольцевой или винтовой нарезкой, установленные таким образом, что их кольцевые или винтовые выступы-витки располагаются вдоль впадин червячной нарезки будущей заготовки. Такие валки расположены с двух сторон прокатываемой заготовки. Принцип прокатки червяка такой же, как и продольно-винтовой способ образования канавок сверл. Согласно данным завода “Фрезер”, производительность обработки червяка в 30—40 раз выше, чем резьбофрезерованием. Уменьшение балла карбидной неоднородности, получение витков с неперерезанными волокнами металла способствуют повышению стойкости фрез из таких заготовок.
Горячее гидродинамическое выдавливание, или гидроэкструзия — один из относительно новых методов получения заготовок инструментов пластической деформацией в горячем состоянии. Сущность метода состоит в том, что нагретая до температуры 1050—1100 °С исходная заготовка цилиндрической формы помещается в подогретый до температуры 600 °С стальной стакан с фильером в донышке. Сверху кладут графитовую пробку, и пуансон под действием ползуна кривошипного пресса, перемещаясь по внутренним стенкам стакана вниз, выдавливает через фильер заготовку с поперечным сечением соответствующей формы. При такой схеме графит ведет себя, как вязкая жидкость, и в стакане создаются условия большого, почти всестороннего сжатия материала, повышается его пластичность, и материал спокойно течет через фильер. Так получают заготовки сверл с канавками, заготовки метчиков, разверток, в том числе биметаллические, когда быстрорежущая сталь расположена тонким слоем по периметру поперечного сечения. Для этого заготовка под выдавливание должна состоять из цилиндра конструкционной стали, на который надета тонкая трубка из стали быстрорежущей.
Метод высокопроизводительный, экономит быстрорежущую сталь и повышает стойкость инструмента из-за понижения карбидной неоднородности материала заготовки. Экономически оправдан в условиях серийного и массового производства инструментов.
Литье. Достигается значительная экономия быстрорежущей стали, так как форма заготовки очень близка к форме готового инструмента. Наполовину снижается трудоемкость изготовления инструмента в связи с тем, что почти полностью исключается последующая лезвийная обработка. Возможна добавка присадок других химических элементов для повышения прочности и стойкости инструмента. С этой точки зрения литье — наиболее выгодный метод получения заготовок. Литьем в оболочковые формы по выплавляемым моделям можно получать заготовки, для превращения которых в инструмент требуется только закалка с отпуском, шлифование и заточка.
Заготовки могут быть цельнолитыми с полным профилем зубьев и канавок мелкоразмерных инструментов. Для инструментов средних и крупных размеров заготовки составные, когда режущие ножи, пластины, гребенки из проката быстрорежущей стали или твердого сплава заливаются углеродистой или легированной сталью для получения корпуса. Могут быть и сварные инструменты с литой рабочей частью, например, сверла, концевые зенкеры и фрезы. Для сборных инструментов можно отливать ножи с рифлениями на опорной поверхности.
Однако широкому внедрению литья препятствуют дефекты структуры литой стали. Это прежде всего карбидные ликвации В результате — непостоянная по длине твердость и износостойкость режущего лезвия, и в целом стойкость литого инструмента ниже, чем из проката. Неоднородность структуры вызывает “пятнистую” твердость после закалки, высокие внутренние напряжения, понижающие прочность инструмента и приводящие к образованию трещин. Крупнозернистость структуры и расположение карбидов в виде сетки вокруг зерен также понижают прочность инструмента.
Некоторому разрушению карбидной сетки и более равномерному распределению карбидов способствует двойная закалка. Первую закалку выполняют с увеличенной в 5—6 раз выдержкой при нагреве, что способствует частичному растворению карбидов, а затем их некоторому перераспределению по объему металла. После закалки
заготовки подвергают изотермическому отжигу по режиму быстрорежущей стали, механической обработке и второй, уже нормальной, закалке и отпуску. Стойкость инструмента после двойной закалки повышается на 30—50 % по сравнению с литым инструментом однократной закалки. Тем не менее она ниже, чем у инструментов, изготовленных из проката. Если за счет технологий литья, разработанных проф. Е.И. Бельским, прочность литых инструментов повышена до прочности инструментов из проката, то стойкость еще не доведена до этого уровня, она в два-три раза ниже. Поэтому литье экономически оправдывает себя только при изготовлении трудоемких мелкоразмерных и мелкопрофильных инструментов, например, мелких концевых фрез, в условиях серийного и массового производства.
Наплавка режущих элементов. Наплавляется быстрорежущая сталь на корпусы из конструкционной стали, причем даже не на полный зуб, а на его часть, необходимую для работы будущего инструмента (рис. 3.2).
Электродуговую наплавку производят электродами из быстрорежущей стали с обмазкой или углеродистыми с качественной обмазкой.
Электроды могут быть трубчатыезаполненные ферросплавами и флюсами. Наплавлять можно вручную или на специальных установках, где весь процесс наплавки (подготовка из лент электродов, заполнение их ферросилавами, наплавка) автоматизирован. Возможна наплавка с помощью газовой горелки.
Наплавка может осуществляются с изотермической закалкой заготовки (простые однолезвийные инструменты, резцы, ножи). Заголовки корпусов инструментов перед наплавкой подогревают до 300—600 °С, и эту температуру поддерживают во время наплавки.
При втором способе после наплавки многолезвийных и других сложных инструментов предусматривают отжиг с последующей лезвийной обработкой заготовок. В этом случае заготовки корпусов инструментов перед наплавкой подпревают до 300—600 °С.
Наплавленные инструменты имеют те же недостатки, что и литые, и по той же причине. Поэтому метод экономически оправдал себя при восстановлении предельно сточенного инструмента. В этом случае наплавку зубьев производят вручную, возможно даже газовой горелкой.
Сварка заготовок широко используется в инструментальном производстве для изготовления хвостового и стержневого инструмента диаметром 6 мм и больше. Сваривают встык заготовку рабочей части инструмента из быстрорежущей стали с заготовкой хвостовика или стержня из конструкционной стали.
Стыковая электросварка принципиально ничем не отличается от используемой в машиностроении. Только длина вылета из зажима заготовки из быстрорежущей стали должна быть в 2,25—2,50 раза меньше, чем вылет заготовки из конструкционной стали, так как теплопроводность быстрорежущей стали ниже, а температура концов иод сварку должна быть одинаковой. Вылет быстрорежущей заготовки равен ее диаметру, но не менее 8—10 мм, для избежания подка- ливания быстрорежущей части сваренной заготовки в зоне шва. Для того чтобы не было трещин в зоне сварного шва после сварки, заготовки должны медленно остывать в подогретом песке или термостате. Еще лучше сразу же после сварки заготовки складывать в печь с температурой 840—860 °С, и после ее заполнения производить отжиг. Отжиг обеспечивает снятие внутренних напряжений, улучшение структуры и понижение твердости, так как нагретая до температуры закалки быстрорежущая сталь принимает закалку на воздухе.
Во время сварки нельзя допускать дефектов, приводящих к браку заготовок: сверхнормативной кривизны и смещения сваренных заготовок, прижогов в местах зажима, кольцевых трещин по быстрорежущей части вблизи сварного шва, пережога (черная поверхность излома), свищей, расслоения по шву, непровара торцов, крупнозернистости структуры.
Сварка трением — разновидность сварки давлением. Заготовки приводятся в соприкосновение торцами, затем одна относительно другой получают вращение с непрерывным поджимом к торцу, металл у торцов заготовок разогревается, повышается пластичность, свариваемые металлы сближаются до межатомных расстояний — наступает молекулярное схватывание, т.е. сварка.
Метод так хорош, что он практически вытеснил стыковую электросварку из производства режущих инструментов. Его преимущества по сравнению с электросваркой: в 5—10 раз меньше расход электроэнергии, в 4 раза меньше угар металла, высокая точность и производительность (1,5—30 с/шт.), мелкозернистое строение шва, в шве отсутствуют окислы и макропороки, меньше брака, легко автоматизируется. Метод используется для сварки цилиндрических заготовок, а также восстановления сломанного инструмента. Разница в диаметрах концов под сварку может быть до 4 мм.
Оба вида сварки — электросварку и сварку трением — в серийном и массовом производствах выполняют на специальных полуавтоматах.
Сварка взрывом — тоже вид сварки давлением. Используется для получения заготовок плоского биметаллического инструмента, например, протяжек.
Свариваемые заготовки, обычно полосы, накладываются друг на друга подготовленными под сварку плоскостями и помещаются в контейнер, где производится взрыв. Чистые свариваемые поверхности сближаются до межатомного расстояния. Наступает молекулярное схватывание, и обе полосы представляют собой монолит.
Наварка пластин быстрорежущей стали. Этот метод оснащения корпусов из конструкционной стали режущими элементами из быстрорежущей стали по своей природе занимает промежуточное место между сваркой и нанайкой. Для наварки однолезвийных инструментов используют сварочный порошок, состоящий из ферромарганца, технической плавленой буры и меди, или сварочную пасту из порошков ферросилиция, технической соды и переплавленной буры, а также медной и стальной стружек, замешанных на жидком стекле.
Поверхности под наварку обрабатывают с неровностями до 0,2 мм. Плоскость державки резца посыпают порошком, укладывают пластину, нагревают в камерных печах или на стыковых сварочных машинах, машинах для точечной сварки до расплавления порошка. Потом пластину прижимают к корпусу с помощью ручного пресса или электродами машины. После этого осуществляют отжиг, закалку и абразивную обработку, например, заточку резца.
При изготовлении многолезвийных инструментов в корпусах под пластины делают клиновидные в радиальном направлении пазы, на поверхности которых и на поверхности пластин лопаточкой наносят слой сварочной пасты, толщина которого 1,0—1,5 мм. Пластины закладывают в пазы корпуса с зазором по донышку паза 1,0—1,5 мм. Собранный с ножами корпус просушивают, подогревают в электрической печи до 700—800 °С, окончательно нагревают до расплавления сварочного порошка (1280 °С) в пламенной печи, вынимают из печи и обжимают пластины в направлении донышка паза путем прокатывания по плите, если заготовки цилиндрической формы. После наварки — отжиг и дальнейшая механическая обработка, как и цельных инстру- ментов. Поскольку сварочный шов обрабатывается плохо, низкая стойкость лезвийных инструментов, желательно иметь размеры элементов корпуса и пластин такими, чтобы после наварки и отжига сварной шов лезвийными инструментами не обрабатывать, т.е. пластины должны нависать над поддерживающими их элементами корпуса.
Наварку пластин используют в серийном и массовом производстве с целью экономии дорогой и дефицитной быстрорежущей стали.
Напайка пластин быстрорежущей стали. Напайку пластин можно совместить с закалкой, использовав нагрев при напайке. Затем — отпуск, шлифование и заточка В этом случае вся лезвийная обработка корпусов инструментов и пластин должна быть выполнена до пайки. Если такая технология неприемлема и после пайки требуется лезвийная обработка, то напаянный инструмент отжигают, затем выполняют лезвийную обработку, закалку, шлифование и заточку. Температура плавления припоя при этом должна быть выше температуры нагрева под закалку, чтобы пластины при закалке не отпаялись. Кроме того, припой должен быть жидкотекучим, хорошо смачивать спаиваемые поверхности. Этого требует технология пайки: припой должен хорошо затекать в щели между пластиной и корпусом при любом положении последнего. Прочность паяного шва должна быть тоже высокой, точнее — достаточной. Такие припои имеются. Чаще всего используют припой ГФК следующего состава: Сu 73—74 %; Ni 4—5 %; Fe 5—7 %; FeSi 3—4 %; Zn 6—8 % no весу.
Технология пайки не отличается сложностью. Здесь, как и при наварке, важно хорошо раскислить соединяемые поверхности. Для этого используют размельченную обезвоженную буру, которой после предварительного нагрева посыпают спаиваемые поверхности, или буру иногда вводят в состав припоя, если последний используется в виде порошка, что свойственно напайке пластин на корпуса многолезвийных инструментов. В заготовках корпусов на торцах делают выточки — ванночки, в которые после сборки корпуса с ножами и раскисления насыпают припой. Установив корпус на противоположный торец, его нагревают до расплавления припоя, подстуживают на воздухе и закаливают в масло или дают медленно остыть в термостатах для последующего отжига и лезвийной обработки.
Напайка, как и наварка пластин, позволяет экономить быстрорежущую сталь. Экономия большая. Так, согласно данным Челябинского тракторного завода, при изготовлении крупномодульного долбяка (m=10,5 мм) с напаянными пластинами экономия быстрорежущей стали составляет 23 кг.
Нагревать заготовки во время напайки можно в печах, обеспечивающих температуру 1260—1300 °С. При такой высокой температуре возможно окисление и обезуглероживание поверхностных слоев материала пластин и ножей. Поэтому лучшим является безокисли- тельный нагрев в соляных ваннах, нефтяных или газопламенных печах. Для первичного подогрева можно использовать любые печи.
Напайка пластин твердого сплава. До напайки совершают максимум операций над корпусом, чтобы после напайки осуществлять только шлифование и заточку.
Для пайки используют медь или медно-цинковые припои, латуни с температурой плавления 900—1080 °С. Они мягкие, в связи с чем слой припоя под пластиной нельзя допускать более 0,1 мм, чтобы под действием сил резания припой не “выдавливался” и пластина не изгибалась и не ломалась. Поэтому неплоскостность контактных поверхностей гнезд и пластин должна быть не более 0,05—0,10 мм. Гнезда в корпусах фрезеруют, а опорные поверхности пластин при необходимости шлифуют.
Перед напайкой пластины обезжиривают промывкой в бензине или четыреххлористом углероде. Спаиваемые поверхности пластин и корпусов раскисляют бурой. У однолезвийных инструментов, например резцов, бурой посыпают опорную поверхность гнезда, затем кладут пластину припоя, посыпают бурой, кладут пластину твердого сплава, а на нее сверху опять кладут припой и посыпают бурой, чтобы защитить переднюю поверхность пластины от окисления. Затем соединение нагревают до расплавления припоя, подправляют положение пластины и выжимают избыточный припой У заготовок многолезвийных инструментов раскисление — отдельный переход. Режущие пластины с пластинками припоя устанавливают в гнезда корпуса, слегка закрепляют зачеканкой, обвязкой асбестовым шнуром или жаропрочной проволокой, вываривают в водном растворе буры и высушивают. После этого осуществляют нагрев до расплавления припоя и последующее охлаждение, которое можно совместить с закалкой корпусов в масле или селитровой ванне.
Для нагрева используют любые печи, но лучше с безокислительной средой. Часто предпочитают индукционный нагрев как быстрый, чистый и поддающийся автоматизации. Заготовка в витковом индукторе непрерывно вращается во время нагрева и застывания припоя. Инструменты, нагреваемые в петлевом индукторе (резцы, ножи для сборных инструментов), неподвижны (рис. 3.3) Нагрев твердого сплава должен быть медленным, так как он обладает малой теплопроводностью, и быстрое изменение объемов от быстрого нагрева может привести к растрескиванию пластин. По этой же причине охлаждение после напайки тоже должно быть очень медленным. Напаянные заготовки должны остывать в термостатах, а еще лучше — вместе с печью, куда они забрасываются после напайки. Медленный нагрев и медленное охлаждение — общая особенность горячей обработки инструментальных материалов. Для медленного нагрева петлевые индукторы проектируют так, чтобы пластина нагревалась за счет теплопередачи от нагреваемого корпуса. То же самое делают при напайке на машинах контактной сварки: электроды подводят к корпусу инструмента возле пластины.
В крупносерийном и массовом производстве напайных многолезвийных инструментов хорошо зарекомендовал себя нагрев в соляной ванне с одновременной закалкой корпусов. Собранный с пластинами твердого сплава, вываренный в водном растворе буры и высушенный корпус погружают в соляную ванну и опускают в находящийся там графитовый тигель с расплавленным припоем. Припой затекает в зазоры между пластинами и корпусом, а потом затвердевает после подстуживания заготовки на воздухе. Остудив до температуры закалки, корпус закаливают, охлаждая его вместе с пластинами в подогретом масле или селитре.
Разработаны и используются автоматы и полуавтоматы для напайки резцов на установках ТВЧ, обеспечивающие высокую производительность и хорошее качество пайки.
Мероприятия по повышению качества пайки. Твердый сплав и конструкционная сталь корпуса имеют разные коэффициенты теплового расширения. При нагреве до одной и той же температуры увеличение единицы объема стали больше, чем твердого сплава, а при остывании с этой же температуры усадка корпуса больше, чем пластины. Если корпус и пластина скреплены уже застывшим при температуре 900—1000 °С припоем и остывают до комнатной температуры как единое целое, то из-за разности объемов в соединении возникают внутренние напряжения. В поверхностном слое пластины эти напряжения растягивающие. Они способствуют повышению износа инструмента во время резания. Более того, складываясь с растягивающими напряжениями от изгиба пластины иод действием сил резания, могут вызвать ее разрушение. После остывания паяного соединения эти напряжения бывают так велики, что превышают предел прочности материала пластины на растяжение, и в поверхностном слое пластин появляются микротрещины или даже сплошные трещины, приводящие к неисправимому браку. Согласно данным Минского инструментального завода, брак по трещинам в результате нарушения технологии напайки и заточки резцов со сплавами группы ТК может достигать 70 %.
Зная причину этих дефектов, можно предложить стратегию их недопущения:
- уменьшить количество связей, соединяющих пластину и корпус, т.е. уменьшить площадь паяного соединения для обеспечения более независимого изменения объемов пластины и корпуса во время остывания соединения;
- создать благоприятные условия для релаксации напряжений за счет пластического течения слоя припоя на достаточную величину, выравнивающую разность в сокращении объемов пластины и корпуса;
- уменьшить усадку корпуса или увеличить усадку пластины после остывания паяного соединения.
Все три направления в достаточной мере результативны. Первое направление реализуется использованием гнезд для напайки пластин только по опорной поверхности (см. рис. 2.5, е).
Для второго направления можно предложить высокопластичные припои. Однако известные высокопластичные припои не обеспечивают достаточной прочности соединения. Поэтому направление реализуется увеличением толщины слоя припоя. Но чтобы под действием сил резания припой не выдавливался, его армируют сеткой из железа или пермаллоя толщиной 0,55 мм с одним отверстием на 1 мм2. Железо и пермаллой для сеток выбраны не случайно. Коэффициент их теплового расширения — промежуточный между сталью и твердым сплавом, что дополнительно способствует уменьшению остаточных напряжений.
Увеличение выдержки при достаточно высокой температуре также увеличивает объем пластической деформации припоя, так как при таких температурах припой более пластичный. Поэтому после напайки рекомендуют медленное остывание инструментов в термостатах (подогретый песок, печь). Лучше, безусловно, остывание в печи, в которой после ее заполнения длительно выдерживают инструмент (6—10 часов) при температуре 200—250 °С.
Реализация третьего направления увеличением усадки пластины неосуществима. Но вполне возможно и полезно уменьшение усадки корпуса путем его закалки на мартенситную или близкую к ней структуру. Для этого корпус вместе с напаянными пластинами быстро охлаждают в подогретом до температуры 80—100 °С масле. Такое быстрое охлаждение выдерживают без трещин сплавы группы ВК и Т5К10. а также пластины Т14К8 и Т15К6 толщиной до 4 мм. Закалка не только уменьшает внутренние напряжения в паянном соединении и исключает появление трещин в пластинах твердого сплава, но и повышает износостойкость самого твердого сплава. Согласно данным Минского автомобильного завода, твердосплавные фильеры после закалки служат значительно дольше.
Напайка минералокерамических пластин. После устранения шлифованием или доводкой неплоскостности опорных поверхностей пластин до 0,1 мм пластины обезжиривают и напаивают припоем из окиси свинца, окиси меди, мелких опилок алюминия и фтористого натрия в качестве раскислителя. Нагрев до 850—900 °С в любом печи. На установках ТВЧ и аппаратах для контактной сварки нагревают очень медленно за счет теплопередачи от нагреваемого корпуса, так как пластина немагнитная и токонепроводящая. Прочность шва на срез очень низкая, 30—32 МПа. Более прочная напайка осуществляется с помощью латуни после металлизации пластин медью (прочность шва на срез до 90 МПа).
Предварительно пластины обезжиривают в ацетоне после промывки в мыльной воде, покрывают слоем пасты из порошка титана или гидрата титана в 3-процентном растворе целлулоида в амилацетате. Затем пластины высушивают, накрывают кусочком медной фольги, помещают в контейнер, в котором создают вакуум 3 МПа для предотвращения соединения титана с кислородом и водородом воздуха После нагрева до 1130—1150 °С титан плавится, частично восстанавливая окись алюминия в поверхностном слое пластины, прочно соединяется с материалом пластины и медью.
Для снятия напряжения в паянном соединении инструмент после напайки помещают в печь с температурой 350—400 °С и охлаждают вместе с печью.
Контроль качества напайки. С помощью внешнего осмотра проверяют сплошность и толщину паяного шва. Толщина должна быть не более 0,1 мм, а разрывы шва допускаются в виде единичных черточек длиной 1,5—2,0 мм. Эти разрывы определяют по черточкам темного цвета, который появляется после промывки инструмента в керосине и обтирки, так как керосин, проникший в щели, выделяется, придавая темную окраску в разрыве шва.
Прочность паянного соединения проверяют на сдвиг пластины иод прессом, а выборочно — путем срубания пластины зубилом. Пластина при этом должна крошиться, а не отскакивать целиком.
Разработан и неразрушающий ультразвуковой метод контроля качества напайки пластин.
Наличие трещин и микротрещин проверяют методом люминесцентной дефектоскопии. Флюоресцирующий раствор из 10 % автола и 90 % керосина после окунания в него инструмента на 2—3 мин проникает в трещины и микротрещины шириной свыше 5 мкм. После промывки в бензине, просушки под вентилятором, опудривания магнезитовой пудрой и облучения ультрафиолетовыми лучами на фоне темно-фиолетовой пластины ярко светятся дорожки вышедшего из трещин люминофора. Трещины можно обнаружить и более современным токовихревым методом, а также визуально после химической очистки, когда при охлаждении из них выжимается солевой раствор. Вода раствора испаряется, и на пластине видны белые солевые дорожки.
Поскольку инструмент с трещинами — окончательный брак, то разбраковку или выявление трещин можно осуществить более простым, но разрушающим способом. Например, пластина с трещиной частично отрывается от державки после удара с плеча верхней плоскостью державки о стальную болванку. Резец при этом держат за державку с противоположной от головки стороны, а ударяют державкой