Протяжка, многолезвийный металлорежущий инструмент для обработки сквозных отверстий и наружных поверхностей деталей на протяжных станках. В зависимости от формы обрабатываемой поверхности различают протяжки: цилиндрические, гранёные (квадратные, шестигранные и др.), шлицевые, шпоночные, наружные плоские, наружные фасонные.

У протяжки для внутреннего протягивания зубья, расположенные на режущей части (постепенно возвышающиеся), выполняют основную работу по срезанию припуска. Калибрующая часть протяжки имеет от 3 до 8 зубьев; первый из них срезает очень малый слой металла и придаёт отверстию окончательную форму, остальные являются запасными (работают после переточек протяжки). Протяжки для наружного протягивания изготовляются в виде прямоугольного бруска; имеют режущую и калибрующую части. Кроме режущих, применяют выглаживающие, которые не режут, а выравнивают и уплотняют металл; уплотнённый слой обладает высокой износостойкостью. Зубья выглаживающих не имеют углов резания; такие зубья делают иногда на калибрующей части режущей протяжки.

За счет постепенного увеличения диаметральных размеров зубьев происходит срезание металла только при поступательном движении протяжки относительно детали. Последние профилирующие зубья протяжки имеют режущие кромки, расположенные на поверхности исходного стержня, что и обеспечивает формирование заданной поверхности детали. В процессе работы протяжка нагревается до 200є С, испытывает растягивающую нагрузку у_в= 400 МПа и должна иметь HRC = 63-64.

2. Выбор материала

Твердость материалов У10

Сталь 9ХС - инструментальная низколегированная. Она принадлежит к группе азотируемых сталей для режущих инструментов. По химическому содержанию сталь является заэвтектоидной. После термической обработки и лазерной закалки сталь 9ХС обеспечивает высокую прочность, высокую твердость и износостойкость поверхности.

Рис.1 Диаграмма изотермического превращения аустенита стали 9ХС

Описание влияния легирующих элементов на структуру и свойства выбранного материала.

Углерод содержится в стали в количестве 0,9 %. Сталь, содержит углерода больше 0.8%, в отожженном состоянии состоит из карбидов и перлита. Углерод сильно влияет на свойства стали, даже при незначительном изменении его содержания. Хром увеличивает прочность связи атомов углерода с атомами твердого раствора, снижает термодинамическую активность (подвижность) атомов углерода, способствуют увеличению его концентрации в мартенсите, т.е. упрочнению. Является карбидообразующим элементом Cr₂₃C₆. Кремний, если он содержится в стали в небольшом количестве, особого влияния на ее свойства не оказывает. При повышении содержания кремния значительно улучшаются упругие свойства, магнитопроницаемость, сопротивление коррозии и стойкость против окисления при высоких температурах.

3. Выбор операций термической обработки и определение режимов операций

Отжиг второго рода - это термообработка, которая заключается в нагреве стали до температур выше точки А_С1. В результате получается почти равновесное структурное состояние стали; в заэвтектоидной стали 9ХС - цементит + перлит+ Cr₂₃C₆. Сталь получается с низкой прочностью и твердостью при достаточном уровне пластичности. (HВ = 243) Так как наша задача смягчить структуру для последующей механической обработки, мы проводим неполный отжиг. Основные цели неполного отжига - устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячей деформации или сварке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений, для придания стали определенных характеристик.

Неполный отжиг заключается в нагреве заэвтектоидной стали до температур на 30-50°С выше температуры А_C1, но не превышает А_Cm (чрезмерное повышение температуры выше этой точки приведет к росту зерна аустенита, что вызовет ухудшение свойств стали), выдержке для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. Для данной стали t_отж= А_С1 +30ч50°С =770+30ч50°С=800ч820°С. Выбираем t_отж=810°С. При неполном отжиге происходит неполная фазовая перекристаллизация стали. При нагреве выше точки А_С1 образуется аустенит + карбиды, характеризующийся мелким зерном, который при охлаждении дает мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокую пластичность и невысокую твердость. Структура заэвтектоидной стали, после неполного отжига состоит из зернистого перлита (рис 2). Затем следует токарная обработка, которая заключается в том, что заготовку торцуют и протачивают наружный диаметр до Ш 50 мм.

Рис.2 График неполного отжига для стали 9ХС

После отжига проводится механическая обработка протяжки, которая включает в себя токарную, круглошлифовальную, шлицефрезерную, фрезерную, зубофрезерную, слесарную операции.

Механически обработанную деталь подвергают термической обработке: закалке и отпуску. Так как заданная деталь должна обладать достаточно высокой прочностью и твердостью назначаем неполную закалку с низким отпуском. Закалка - термическая обработка, заключается в нагревании стали до температуры выше критической (А_С3 для доэвтектоидной и A_{C1 -} для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Данная сталь заэвтектоидная, поэтому её нагревают до температуры на 30-50° С выше точки А_{С1 (}рис.3), т. е до 800 - 820°С. Оптимальной охлаждающей средой при закалке для данной стали является масло, так как оно быстро охлаждает сталь в интервале температур минимальной устойчивости аустенита и замедлено в интервале температур мартенситного превращения, то есть при охлаждении в масле происходит одновременное мартенситообразование во всей детали, и снижается возможность образования закалочных трещин. В результате закалки прочность и твёрдость увеличиваются, а пластичность и вязкость снижается.

Рис.3 График неполной закалки для стали 9ХС

Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства детали, сталь после закалки обязательно подвергают низкотемпературному отпуску.

Отпуск - термическая обработка, при которой закаленную сталь нагревают до температуры ниже температуры критической точки A_C1, выдерживают необходимое время при этой температуре, а затем медленно охлаждают.

При такой обработке несколько уменьшаются внутренние напряжения, стабилизируется структура стали, понижается ее твердость и увеличивается вязкость. При отпуске стали происходят структурные превращения, заключающиеся в том, что мартенсит закалки и остаточный аустенит распадаются, образуя более устойчивые структуры.

При нагреве до 100°С заметных изменений в структуре закаленной стали не происходит. При нагреве от 100 до 350°С происходит распад мартенсита с выделением из него дисперсных частиц цементита. Этот распад происходит в две стадии.

В первой стадии при 100 - 200°С наблюдается выделение из мартенсита мельчайших карбидных включений пластинчатой формы и толщиной в несколько атомных слоев. Одновременно с этим происходит заметное уменьшение объема стали, связанное с образованием мартенсита отпуска.

Вторая стадия отпуска происходит при 200-350°С. Она сводится к дальнейшему медленному выделению из мартенсита частиц карбида железа. В это время в стали развивается процесс разложения остаточного аустенита и переход его в мартенсит отпуска.

Заданную сталь подвергают низкому отпуску, поэтому его проводят в интервале температур 150-160°С. При этих температурах в стали образуется мартенсит отпуска и почти полностью исчезают внутренние напряжения. Мартенситная структура обеспечивает наилучшее соотношение прочности и твёрдости для данной стали.

Закалка с низким отпуском повышает пределы прочности и твёрдости. Термическую обработку, состоящую из закалки и низкого отпуска, называют изотермической закалкой.

После механической и термической обработке проводим лазерное поверхностное упрочнение, которое является окончательной операцией для инструмента.

Упрочнение режущего инструмента производится импульсным облучением рабочих кромок инструмента на лазерной технологической установке ЛТУ-2М. При этом стойкость инструмента повышается в 1,5 - 3 раза. Под воздействием лазерного излучения происходит скоростной нагрев стали 9ХС до 800-820°С (выше А_С1) без существенного оплавления рабочих кромок инструмента и последующее охлаждение стали. В результате на поверхности образуется слой толщиной 60-80 мкм микротвердостью 1100 - 1200 Н/мм2.

Упрочненный слой имеет особо дисперсную аустенитномартенситовую структуру. На границе упрочненного слоя с основным металлом имеется тонкая зона отпуска с микротвердостью, которая несколько ниже микротвердости основного металла.

Наличие такой зоны положительно сказывается на стойкости инструмента. Толщина упрочненного слоя в зоне лазерной импульсной закалки зависит от плотности, мощности лазерного излучения и времени импульса.

Преимущества технологического процесса лазерного упрочнения:

локальность упрочнения в местах наибольшего износа с сохранением исходных свойств материала в остальном объеме;

возможность упрочнения труднодоступных мест;

отсутствие деформации обрабатываемых изделий, что позволяет полностью исключить дополнительную финишную обработку;

возможность использования упрочненного инструмента после его переточки с сохранением стойкостных характеристик;

возможность его проведения на воздухе;

отсутствие механического воздействия на изделие, что обуславливает простоту его автоматизации;

экологическая чистота.

4. Контроль качества продукции