Даже далёкие от техники люди, хоть раз державшие в руках дрель, сталкивались с твёрдосплавным режущим инструментом. Да-да, вот те не эстетично выглядящие свёрла, которые так ловко сверлят и кирпичные, и бетонные стены, оснащённые, казалось бы, уродливой штукой на рабочем кончике, это оно и есть! А штука, которая смущает своим видом – не что иное, как твердосплавная пластина. Как же она крепится к сверлу? Пайкой, в большинстве случаев.
Этот конструктив свойственен не только сверлам, но всему многообразию металлорежущего инструмента, применяемого для обработки металлических деталей, используемых нами затем в составе готовых изделий. Наиболее распространённые – токарные резцы и разнообразные фрезы, о них вы, возможно, тоже слышали или даже видели.
Принцип такого устройства инструмента родился в эпоху бурного роста массовых производств, когда темпы конвейерных сборок требовали всё больше качественно и точно обработанных деталей. Для этого от резцов, свёрл и фрез требовалась всё большая скорость резания (это показатель в обработке металлов, суммирующий скорость вращения инструмента или предмета обработки и их взаимную поступательную подачу. Вспомним дрель: чем быстрее вращается сверло, и чем сильнее мы давим им в стену – тем быстрее и ровнее получится отверстие). Вот тогда инженеры-конструкторы, поняв, что ресурс инструментальных и быстрорежущих сталей исчерпан, предложили отличный вариант – использовать для резания твердые термо- и износоустойчивые сплавы. Одна проблема – для их изготовления надо было применять, к примеру, вольфрам, кобальт, никель, титан, а это не просто дорого, это дорого очень, если счет идёт на многие-многие тонны. Поиски удешевления воплотили в жизнь идею биметаллического инструмента, когда основное его тело изготавливается из массового материала, режущая же часть – из твёрдого сплава, в виде внедрённой пластинки. Мало того, что снизилась стоимость в целом, появилась возможность замены только твердосплавной пластины при её износе, а сам инструмент продолжал работать. Из чего следовал ещё один плюс: если заточка изношенного цельнометаллического инструмента изменяла его размер и требовала перенастройки оборудования в условиях массового производства, то замена только лишь режущей части давала возможность восстановить геометрию того же резца и пустить его в работу, избежав трудозатрат на наладку. Современная металлообработка на станках с ЧПУ, где также высоки требования к скоростям резания и постоянству пространственных параметров инструмента, по наследству подхватила потребность в сменяемых твёрдосплавных режущих частях.
Как бытиё определяет сознание, так и сфера применения чего бы то ни было, инструмента металлообработки, в частности, определяет требования к свойствам, а значит и к изготовлению. Представьте, скорости вращения, измеряемые тысячами оборотов в минуту, вибрации от таких скоростей, усилия, позволяющие резать, сверлить, долбить самые прочные стали, температуры в сотни градусов – вот параметры, определяющие условия, в которых работает металлорежущий инструмент. И всё это в первую очередь достаётся режущей кромке, твёрдосплавной пластине. Как же и чем закрепляют её в теле, чтобы она столько выдерживала?
В массовом изготовлении инструмента – пайкой, как уже было сказано. Понятно, что делается это в условиях промышленного производства, потому что требуемые объёмы, используемые материалы и требования к точности исключают кустарщину.
Факт, что металлообработка производится при сложнейших температурных режимах, потому материал припоя, скрепляющего твёрдосплавную пластину с телом резца, должен быть весьма термостоек. Соответственно, номенклатура применяемых для такой пайки марок существенно сужается, и все пригодные припои относятся к классу твердосплавных. Усреднено в цифровом выражении, тугоплавкость припоя должна превышать температуры, образующиеся в зоне резания, на 300С. Мало того, место спайки должно обеспечивать пластичность, гасящую динамические нагрузки, иначе пластина отколется от материала инструмента. Вдобавок, критичным является теплопроводность припоя, так как именно место спайки служит проводником для отвода тепла из зоны резания в тело инструмента.
Вот такой набор только самых важных критериев определяет перечень тугоплавких, твёрдых припоев, которыми и наплавляют пластины. Упомянем некоторые их них, в порядке снижения температуры плавления. Медно-никелевые, или мельхиоровые, содержат до 68% меди, 28% никеля и до 4% алюминия с цинком. Температура плавления составляет в этом случае 1170С. Твёрдосплавные режущие кромки припаянных им пластин могут выдерживать разогрев в зоне резания до 900 градусов, а сам инструмент – значительные нагрузки. Следом идут химически чистые, или электролитические меди содержащие, кроме монометалла, не более 0,1% примесей (температура плавления 1083С). В одном с ними ряду – латунно-никелевые твёрдые припои (1000С). Инструмент, изготовленный при помощи последних двух, также весьма устойчив к нагрузкам и работоспособен при нагреве до 700С. Латуни, или медно-цинковые припои продолжают ряд применимого для инструментального производства. При температурах плавления около 900С они еще образуют достаточно прочные спайки, чтобы обеспечить работу средненагруженного инструмента и позволяют выдержать его нагрев до 600С. Их собрат по характеристикам – медно-титановые припои (плавятся при температурах порядка 955С). Ну и в завершение примерного ряда назовём припои серебряные, которые уже приближаются к среднеплавким, т.е. переход в жидкую фазу происходит у них при 635-810С. Свойства их наиболее подходящие для закрепления на металлорежущем инструменте пластин из титана и титановых сплавов.
Технология же пайки, на каком бы принципе она не основывалась, в целом однотипна. Заготовку инструмента, разогретую до температуры плавления флюса в муфельной электропечи, в газопламенной печи или током высокой частоты, покрывают слоем флюса по посадочному месту твёрдосплавной пластины. Флюсом служат, в зависимости от метода пайки и марки твёрдого припоя, бура, порошкообразная или в виде пасты, а также равнопропорциональная смесь буры с борной кислотой. Следующая стандартная операция – зачистка шлака, затем повторное флюсование, укладка твёрдосплавной пластины в гнездо, покрытие её припоем, который тоже покрывается слоем флюса. Далее производят нагрев до плавления припоя, пока тот не затечёт и распределится под пластиной. Здесь заготовка вынимается, остроконечным стержнем производится быстрая правка позиционирования пластины относительно гнезда и осуществляется фиксация до схватывания припоя. Важным моментом технологии является постепенное охлаждение готового изделия, и его осуществляют либо в предварительно разогретом песке, либо в низкотемпературных печах. На финише инструмент очищают при помощи пескоструйной обработки. В своё время к процессу добавилось и применяется теперь при необходимости укладка в пайку компенсационных прокладок из сеток или фольги толщиной 200-500мкм, которые увеличивают прочность соединения и нивелируют температурные напряжения при работе инструмента.
Описание процессов, принципы технологий при описании не кажутся очень сложными. Но за всем этим стоит огромный труд учёных-материаловедов, конструкторов, технологов и производственных специалистов, придумавших и реализовавших эту магию металла, высоких температур, покорившихся человеческой мысли и рукам.