Обработка нержавейки на токарном станке хитрости - flagman-ug.ru

Обработка нержавейки на токарном станке хитрости

Особенности обработки нержавеющей стали на токарных станках

Нержавеющую сталь обрабатывают уже более 100 лет, но до сих пор эта процедура сопряжена с технологическими сложностями. Из нержавейки выполняют множество деталей, постепенно вытесняющих углеродистую сталь, которая уже не выдерживает возрастающие нагрузки: для современных механизмов порог прочности углеродистых сталей слишком низок. Прочность и стойкость нержавейки, которая не меняет своих свойств при высокой температуре, давлении и воздействии агрессивных сред, влечет за собой сложность ее механической обработки.

Особенности обработки нержавеющей стали

Твердость и предел растяжимости нержавеющей стали и углеродистой почти одинаковы. Однако совпадают лишь механические значения. Отличается микроструктура, способность к упрочнению во время обработки, устойчивость к коррозии.

При обработке резанием нержавейка сначала упруго деформируется, потом обрабатывается легко, после чего переходит в стадию упрочнения. На этой стадии резание возможно только при значительном увеличении усилий. Все эти стадии проходит во время обработки и обычная сталь, но высоколегированная упрочняется намного заметнее.

Главные проблемы при токарной обработке стали:

  • деформационное упрочнение;
  • удаление стружки;
  • ресурс рабочего инструмента.

Вязкость. Дополнительную сложность обработке придает пластичность сталей, особенно характерная для жаропрочных марок. Стружка не обламывается, как у углеродистой стали, а завивается длинной спиралью.

Низкая теплопроводность. Слабая теплопроводность нержавейки — ее преимущество при использовании, но недостаток при обработке. В месте резания температура значительно увеличивается, поэтому необходимо охлаждать металл с помощью специальных жидкостей. Они не только устраняют жар, но и предупреждают образование наклепа, облегчают обработку. Наклеп появляется на рабочем инструменте, изменяет его форму и приводит в негодность. Поэтому чаще всего легированные стали обрабатывают на невысоких скоростях и специальными инструментами.

Сохранение свойств. При воздействии жара сталь не теряет твердость и прочность. Это свойство наиболее выражено у жаропрочных сталей и в комбинации с наклепом оно вызывает скорейший вывод из строя резаков, не дает возможность работать на больших скоростях.

Абразивные соединения. В составе нержавеющей стали присутствуют карбидные и интерметаллические соединения микроскопической величины. Повышенная твердость делает их подобием абразива. Резаки стачиваются и требуют постоянной правки и переточки. Трение при токарной обработке нержавейки на порядок больше, чем во время точения углеродистых сплавов.

Неравномерное упрочнение. В процессе точения материал упрочняется неравномерно. Это не очень важно при обработке маленьких деталей. Но серьезно скажется на качестве вала или другой крупной детали.

Удаление стружки

Скопление длинных спиральных стружек нарушает процесс обработки. Поэтому, с учетом способности нержавейки к упрочнению во время деформации, разрабатываются особые конструкции стружколомов. Кроме этого, используется интенсивная обработка поверхности охлаждающей смазкой.

Смазка подается изнутри резака под высоким давлением чтобы:

  • быстро и заметно снизить температуру резака;
  • убрать стружку подальше от резака, чтобы не ускорять его износ;
  • раздробить стружку на небольшие частички, которые проще смыть из рабочей зоны.

При токарной обработке изделий из нержавеющей стали широко используется охлаждение под высоким напором. Распыляется раствор непосредственно в место обработки. Попадая на горячую поверхность, жидкость испаряется и отбирает часть тепла. Поверхность охлаждается. Минус этого способа — большой расход охлаждающей жидкости. Но зато срок использования инструмента увеличивается в шесть раз.

В оборонной и высокоточной промышленности сталь при обработке охлаждается углекислотой при температуре -78 градусов. Это дорогой и самый эффективный способ.

Форма стружколома также очень важна. Геометрия его должна быть положительной, чтобы снизить образование тепла. Передний угол с положительным значением уменьшает самоупрочнение материала и появление наплыва на поверхности резака, устраняя главные причины повреждений во время токарной обработки стали.

Стружколом следует использовать только специализированный, для легированных сталей, хотя стружколомы обычно выпускают универсальными, для работы с самыми разными металлами. Производятся специальные стружколомы и резаки для чистовой, черновой и получистовой резки нержавейки. Они выдают наилучшие результаты и увеличивают производительность труда.

Самоупрочнение стали во время деформации

Более склонен к самоупрочнению аустенитный тип нержавейки, что доставляет дополнительные сложности при любом виде его обработки. Чем сильнее упрочняется материал, тем быстрее изнашивается резак. Эта проблема менее выражена при использовании специальных режущих пластинок. Поверхности их изнашиваются дольше, а рабочие кромки острее обычных. Острые режущие поверхности успевают обработать деталь до самоупрочнения стали и появления наплывов.

Задача усложняется при работе в несколько этапов. Иногда за один подход невозможно выбрать достаточно металла. Тогда это делают поэтапно. Эффективнее за два подхода снять по 3 мм стали, чем за один 6 мм. Рекомендуется также снимать неодинаковый слой металла за первый и второй подходы, например, 4 мм и 2 мм.

Режущий инструмент

Эффект самоупрочнения приводит к быстрому износу резаков. Поэтому разрабатываются специальные формы кромок, переднего угла и особых материалов для резаков по нержавеющей стали.

Существует два вида специализированных режущих инструментов:

  • с химически осажденным покрытием режущей кромки (CVD);
  • с физически осажденным покрытием (PVD).

Инструменты с химически осажденными покрытиями (CVD) позволяют обрабатывать на токарных станках нержавейку на высоких скоростях, дольше не изнашиваются. Но эти резаки очень тяжело править.

Инструменты с физически осажденными покрытиями (PVD) применяются для аустенитных нержавеек. Они тоньше, чем CVD, с ровной поверхностью и острой режущей частью. Но изнашиваются они быстрее (так как толщина покрытия меньше), работают на меньших скоростях.

Виды резцов

Наивысшую износостойкость показывают резцы с покрытием TiC из твердых сплавов. В процессе производства их цианируют или азотируют. Дорогой и очень эффективный способ укрепления пластин — покрытие нитридом бора кубическим.

Твердосплавные резцы ВК3, Т15К6 и Т30К4 достаточно прочны, тверды и длительное время не изнашиваются. Большей вязкостью отличаются Т5 К110 и Т5К7, они изнашиваются быстрее. А вот для ударных нагрузок предпочтительнее использовать пластины с напайками высокой вязкости ВК8 и ВК6А.

Технологии обработки

Существуют приемы, позволяющие минимизировать отрицательные свойства нержавеющей стали:

  • минимизировать толщину снимаемого слоя металла и увеличить скорость вращения шпинделя — обработанная таким образом поверхность получится более шероховатая;
  • использовать кислоту в качестве смазки — значительно повышает износостойкость резаков, предотвращает появление наклепа, но приводит к быстрому разрушению токарного станка, а также плохо влияет на здоровье человека.

Видеоролик демонстрирует процесс изготовления штуцеров из нержавеющей стали:

Форум Машиностроителей

Токарная обработка стали 12Х18Н10Т

  • Нравится
  • Не нравится

denchik 03 сен 2015

Уважаемые форумчане! На протяжении нескольких месяцев сталкиваюсь со следующей проблемой: при токарной обработке корпуса из стали 12Х18Н10Т (габариты детали Максимальный диаметр 1080 мм, высота 1400 мм) выбивает режущую кромку на пластине, причём выше места контакта пластины с поверхностью заготовки. Изменение режима резания никаких результатов не приносит (пробовал скорость резания от 30 м/мин до 100 м/мин, с подачей особо не поэкспериментируешь, т. к. нужно обеспечивать шероховатость). Единственное что понял, если глубина резания меньше радиуса при вершине пластины, то выше описанного явления не происходит. Так вот, я допускаю, что причиной данного явления может быть то, что стружка, возможно, ставшая твёрже чем материал заготовки, сходя по передней поверхности и выбивает часть свободной кромки. Я перепробовал следующие марки пластин, и из них почти все стружколомы и марки сплавов (TaeguTec, Korloy), и ещё пробовал Walter и Sandvik, правда в наличии были только пластины по углероду. Посоветуйте, что можно предпринять, может кто-то сталкивался. Заранее спасибо!

  • Нравится
  • Не нравится

ingenerkons 03 сен 2015

Подачу можно уменьшить, хуже не будет, только по времени дольше, качество наоборот выше будет, Второй момент была похожая проблема оказались контрафактные пластины, тут уже нужно договор с поставщиком смотреть, если что приглашать показывать и составлять акт.

  • Нравится
  • Не нравится

Galant 03 сен 2015

  • Нравится
  • Не нравится

denchik 03 сен 2015

Глубина резания составляет по торцам 1 мм, по диаметрам 0,5 мм на сторону, подача 0,15 — 0,2 мм/об. По поводу того чтобы уменьшить подачу, куда ещё меньше, при чём проверено, что подача на это явление не особо влияет, пробовал ставить 0,5 мм/об и результат тот же что и при 0,15 мм/об. А по поводу углов, какие именно отрицательные углы. На сколько я знаю отрицательным может быть только передний угол и угол наклона главной режущей кромки, который влияет только на направление схода стружки. И подвох в том, что невозможно применить резец с меньшим главным углом в плане (45 или 60), только ромб с главным углом в плане 95 градусов, так как точение идёт в упор.

  • Нравится
  • Не нравится

denchik 03 сен 2015

По пластинам контрафакт вряд ли, с Taegutec-ом возможно, но по поводу Walter и Sandvik очень сомневаюсь. Тем более что пластины Walter и Sandvik на фрезы просто изумительные по этой нержавке. И, кстати, сегодня попробовал токарную пластину Sandvik по нержавке: та же история((

  • Нравится
  • Не нравится

Galant 03 сен 2015

Глубина резания составляет по торцам 1 мм, по диаметрам 0,5 мм на сторону, подача 0,15 — 0,2 мм/об. По поводу того чтобы уменьшить подачу, куда ещё меньше, при чём проверено, что подача на это явление не особо влияет, пробовал ставить 0,5 мм/об и результат тот же что и при 0,15 мм/об. А по поводу углов, какие именно отрицательные углы. На сколько я знаю отрицательным может быть только передний угол и угол наклона главной режущей кромки, который влияет только на направление схода стружки. И подвох в том, что невозможно применить резец с меньшим главным углом в плане (45 или 60), только ромб с главным углом в плане 95 градусов, так как точение идёт в упор.

  • Нравится
  • Не нравится

denchik 03 сен 2015

В ссылке показан передний угол. А как известно при чистовой обработке отрицательное значение этого угла применять не рекомендуется, т. к. значительно возрастает сила резания, ведь лезвие резца не срезает слой металла, а больше сдирает, а учитывая то, что эта нержавка очень вязкая будет иметь место пластическая деформация и вообще ничего хорошего с этого не выйдет. Да и вообще на сколько я знаю отрицательный передний угол используется при обработке хрупких металлов, чугуна или бронзы, например. Как я говорил выше, допускаю, что кромку выше поверхности заготовки выбивает стружка и думаю, что это именно так и есть, просто больше не вижу факторов, которые могли бы на это влиять. Вопрос в том, как с этим бороться и возможно ли вообще с этим что-то сделать.

Рекомендации и особенности обработки нержавеющей стали

Общие характеристики нержавеющей стали

Нержавеющая сталь обладает высокими антикоррозионными свойства.

Высокие антикоррозионные свойства обусловлен наличием в ней легирующих элементов на основе хрома. Нержавеющая сталь имеет низкий коэффициент обрабатываемости, который уменьшается в зависимости от увеличения легирующих элементов, таких как никель и титан

Характеристики структурно фазовых состояний нержавеющих сталей

Аустенит: Самый распространенный вид нержавеющей стали с повышенными антикоррозионными свойствами за счет высокою содержания хрома и никеля. Имеет низкий коэффициент обрабатываемости Применяется в пищевой промышленности.
Например: 12X18H10T.08X18H10,03Xi8H11.

Феррит: нержавеющая сталь, характеризующаяся высоким содержанием хрома и отсутствием никеля, что способствует улучшению его обрабатываемости
Пример: 12X17, AISI410,430,434

Мартенсит-феррит: нержавеющая сталь, которая поддается термообработке благодаря высокому содержанию углерода. Имеет пониженные антикоррозионные свойства Применяется для изготовления деталей повышенной твердости.
Пример: AISI4420,432

Мартенсит: нержавеющая сталь на хромоникелевой основе. Обладает высокими антикоррозионными свойствами, повышенной механической прочность и твердостью благодаря специальной термообработке.
Пример: AISI 17,15

Аустенит-феррит: нержавеющая сталь обладающая высокой жаростойкостью. Применяется в химически активных, высокотемпературных средах.
Пример: AISI 2304,2507.

Особенности обработки нержавеющей стали

Упрочнение или наклеп обрабатываемой поверхности, приводящие к увеличению сил резания и снижению стойкости инструмента.

Повышенная температура в зоне резания, обусловленная низким коэффициентом теплопроводности нержавеющей стали, который ухудшает теплоотвод и способствует перегреву режущего инструмента при обработке нержавеющей стали.

Снижение качества чистовой обработки за счет образования нароста на передней поверхности приводящего адгезионному износу режущей хромки.

Выкрашивание режущей кромки вызванная диффузионным износом, происходящим пои высокой температуре в результате взаимодействия однородных элементов обрабатываемой поверхости и режущего инструмента при обработке нержавеющей стали.

Общие рекомендации для обработки нержавеющей стали

1) Применяйте инструмент, обеспечиваюший улучшенный теплоотвод из зоны резания за счет его теплопроводности и геометрии.

2) Используйте положительную геометрию инструмента, которая способствует снижению сил резания и препятствует мзростообразовамию.

3) Выбирайте рациональные режимы резания для обработки нержавеющей стали.

4) Выбирайте рациональныейинструмент, который обеспечивает высокую теплостойкость, механическую прочность, твердость, и низкий коэффициент трения стружки о его переднюю поверхность.

Дополнительная информация

  • Заказчик: Организация
  • Статус: Выполнено
  • Срок сдачи проекта после оплаты аванса: 12.02.2014
  • ЦЕЛЬ ПРОЕКТА: Подскажите основные отличия нержавеющей стали от других материалов, и хотябы общие рекомендации по ее обработке

Похожие материалы (по тегу)

6 комментарии

  • КомментироватьПонедельник, 27 Январь 2014 11:36 написал Сергей Владимирович

На днях напишу, деньги если понравится переведете

Теперь понятно откуда у меня такие проблемы при обработке нержавейки

Интересный пример обработки нержавеющей стали

Скажите какой фрезой лучше обрабатывать нержавеющую сталь

нержавейку обычно группой ВК обрабатывают (ВК8, ВК6-ОМ).
400 об/мин на диаметре 125 мм — скорость в пределах 160 м/мин — а не многовато для отечественного инструмента — обычно раза в 2-2,5 меньше (и смотря какая жесткость и твердость), а подача в зависимости от вида обработки и требований чертежа (для черновой 0,1-0,2 мм/зуб при хорошей жесткости СПИД).

Станочек отечественный — следовательно уже видимо под изношен — смысла не вижу навороченные бренды ставить (сам корпус фрезы будет в пределах 20-40 тыс.руб и пластины от 300 до 700 руб в зависимости от бренда — а использовать его на полную вы не сможете. )

Если уж хотите чем-то импортным работать возьмите или Korloy или Vertex фрезы под квадратные или треугольные пластины типа SPCN1204PPN и TPCN2204PPN — пластины распространенные, с задним углом, есть со сружкломом, есть почти у каждого бренда (подходят любые — можно экспериментировать в пределах бюджета от дешевых (отечественных) до самых дорогих).
Да и корпуса фрез как правило имеют кассетный тип и ремонтопригодны в случае чего (причем цена у них у Vertex в пределах 10 тыс.руб, у Korloy в пределах 15-20 тыс.руб). Можно такие и отечественные поискать или у СКИФ-М купить (но совет — берите под универсальную пластину)

Особенности использования токарных станков для обработки нержавеющей стали

Из нержавейки сейчас производится немало различных деталей, а сам материал является более приспособленным к нагрузкам, нежели углеродистая сталь: если смотреть на современные механизмы, то у углеродистой стали чересчур низкий уровень прочности. Нержавейка имеет хорошее сопротивление высокой температуре и агрессивной среде, но именно из-за ее высокого уровня прочности и стойкости появляются некоторые сложности в процессе механической обработки на токарном станке.

Как обрабатывается сталь

Нержавеющая, наряду с углеродистой сталью, имеют практически одну и ту же твердость и предел растяжимости. Но идентичность характерна лишь для механических значений. Их отличия сводятся к микроструктуре, свойству упрочняться во время обработки и стойкости к воздействию ржавчины.

Если производится обработка резанием, то нержавеющая сталь сперва начнет упруго деформироваться, после чего обработка нержавеющей стали становится более простой, так как она переходит в стадию упрочнения. В этот момент резать ее можно лишь при увеличенных усилиях. Обычная сталь тоже может пережить эти стадии, но высокий уровень упрочнения характерен лишь высоколегированной.

Какие сложности возникают при токарной обработке нержавеющих сталей? Это касается деформационного упрочнения, удаления стружки и ресурса инструмента.

  • Вязкость;
  • низкий уровень теплопроводности;
  • сохранение свойств;
  • абразивные соединения;
  • неравномерное упрочнение.

Определенные сложности во время обрабатывания сталей вызываются из-за того, что сталь относится к довольно пластичным материалам, в особенности это касается жаропрочной марки. То есть стружка не будет обламываться, а начнет завиваться в длинную спираль.

Воздействие температуры

В эксплуатационном плане теплопроводность играет на руку, но на обработку это накладывает некоторые сложности. В том месте, где производится резание, температура быстро увеличивается, поэтому появляется необходимость охлаждать материал, применяя особые жидкости. Они требуются для устранения жара, предупреждения образования наклепа и облегчения работы.

При обработке рабочим инструментом начинает проявляться наклеп, из-за которого тот быстрее портится. Поэтому для воздействия на легированные стали, предусматриваются высокие скорости и определенные инструменты.

Прочностные характеристики и твердость материала остаются теми же, и если на материал воздействуют высокие температуры. В особенности это касается жаропрочной марки стали. Нужно брать в расчет и образование наклепа, из-за которого инструменты портятся довольно быстро, что приводит не только к порче резаков, но и ограничивает скорость обработки.

Нержавейка характерна карбидными и интерметаллическими соединениями, величина которых микроскопическая. За счет повышенной прочности их можно сравнить с абразивом. Резаки во время работы попросту начинают стачиваться, поэтому их необходимо постоянно править и перетачивать. В момент токарной обработки стали производится большое трение, более чем при работе с углеродистым сплавом.

Под действием точения сплав начинает упрочняться неравномерно. Если обрабатываются небольшие детали, это не сильно на них сказывается. Однако, если обрабатывается вал или детали крупного размера, это может стать проблемой.

Как удаляется стружка

Обработка нержавейки становится более сложной процедурой, если скапливается длинная спиральная стружка. Так как материал становится более прочным во время деформации, это привело к разработке специальной конструкции инструментов. Можно также задействовать интенсивную обработку, характерную применением охлаждающей смазки.

Инструкции гласят, что смазку подают под высоким давлением изнутри резака, что приводит к следующему: практически моментально и значительно снижается температура резака, стружка убирается от инструмента (позволяет сохранить его состояние) и стружка попросту дробится на мелкие элементы, которые легко вымываются из зоны обработки.

Если речь идет о токарной обработке, то в этом плане сталь чаще охлаждается высоким напором. В области, где должна производиться обработка – распыляют раствор. Жидкость начнет испаряться, охлаждая тем самым материал, то есть «отнимая» у того лишнее тепло. Но для этого процесса требуется немало жидкости для охлаждения. При этом срок эксплуатации резака продлевается порядка в 6 раз.

Использование стружколома и охлаждения

Оборонная и высокоточная промышленность приняла следующее руководство: для охлаждения используется углекислота, температура которой -78 градусов. Данный способ хоть и является наиболее дорогостоящим, но и самым эффективным.

Немалую роль играет также то, какая форма у стружколома. Чтобы тепла образовывалось как можно меньше, он должен иметь положительную геометрию. Благодаря переднему углу уменьшается самоупрочнение изделия и появляется наплыв на самом резаке.

Если осуществляется токарная обработка легированной стали, то требуется применять особый стружколом. Данный инструмент может быть и универсальным, способный воздействовать на разнообразные металлы. Так, резка сейчас следующая: чистовая, получистовая и черновая и в каждом случае используется та или иная модель стружколома.

Особенности самоупрочнения стали в процессе деформации

Более всего самоупрочняется аустенитная разновидность нержавеющей стали, а это накладывает некоторые сложности на процедуру ее обработки.

Ведь резак начинает быстро изнашиваться из-за упрочнения материала. Если применяются специальные режущие пластинки, то проблема носит уже более лояльный характер.

Такие пластины характерны более острыми рабочими кромками, что позволяет быстро обработать материал, не доводя до самоупрочнения стали и образования наплыва.

Процесс становится более трудоемким, если необходимо обработать в несколько этапов. Ведь не представляется возможным выбирание достаточного количества металла за один подход. Именно здесь и находит место поэтапная работа. Более эффективное решение: снимание по 3 мм за два подхода, нежели за один – все 6 мм. Специалисты утверждают, что требуется снимать неодинаковые слои – 4 и 2 мм.

Видео по теме: Как обрабатывать НЕРЖАВЕЙКУ на токарном станке

Особенности обработки резанием нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов

Рабочие процессы в современных машинах характеризуются высокими значениями давлений, нагрузок, скоростей и температур. Обычные конструкционные стали в этих условиях недолговечны или вовсе непригодны, поэтому в машиностроении все большее распространение получают стали и сплавы с высокими показателями прочности, жаропрочности, жаростойкости, а также стойкости против коррозии.
Жаропрочные и нержавеющие стали и сплавы относятся к категории труднообрабатываемых материалов. Они значительно хуже поддаются обработке резанием по сравнению с обычными конструкционными сталями.
Низкая обрабатываемость этих материалов определяется их физико-механическими свойствами. В этих условиях весьма важно раскрыть причины, влияющие на их обрабатываемость, и найти способы и средства увеличения производительности их обработки на металлорежущих станках.
Жаропрочным называется материал, способный работать в напряженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающий при этом достаточной жаростойкостью, т. е. стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при высоких температурах. Другим важным свойством жаропрочных сталей и сплавов является их высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.
Нержавеющим называется материал, обладающий высоким сопротивлением коррозии в агрессивных средах, прежде всего в атмосфере воздуха, паров воды и кислот. Обычно к такого рода материалам предъявляют требования обеспечения коррозионной стойкости при рабочей температуре детали. Большинство жаропрочных сплавов, как правило обладает повышенной коррозионной стойкостью при высоких температурах в различных средах. Поэтому, несмотря на то, что понятия жаропрочного и нержавеющего

проката по определению отличаются друг от друга, они обладают целым рядом общих физико-механических свойств, обуславливающих их общие технологические свойства по обрабатываемости резанием.
Основная структура большинства жаропрочки и нержавейки представляет собой обычно твердый раствор аустенитного класса с гранецентрированной кубической решеткой. При этом большая часть деформируемых жаропрочных сплавов принадлежит к типу дисперсионно твердеющих, т. е. в этих сплавах происходит выделение из твердого раствора структурной составляющей – второй фазы, отличной от его основы и рассеянной по всему объему сплава в тонкодисперсной форме.
Высокая дисперсность структуры препятствует возникновению и развитию процессов скольжения, при этом сопротивление ползучести сплава повышается.

Сравнение значений механических характеристик жаропрочных сталей и сплавов и стали 45 показывает, что значения истинного предела прочности при растяжении Sк, предела прочности в и твердости НВ при обычной температуре и отсутствии деформации (упрочнения), примерно равны. Поэтому худшая обрабатываемость жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов определяется другими физико-механическими и химическими свойствами и, прежде всего, структурой, механическими характеристиками, определяющими их свойства не только в исходном, но и в упрочненном состоянии и при нагреве, а также теплофизическими показателями (температура плавления, энергия активации, теплопроводность), определяющими свойства материала при повышенных температурах.
Основные особенности резания жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, затрудняющие их механическую обработку, следующие.
1. Высокое упрочнение материала в процессе деформации резанием. Повышенная упрочняемость жаропрочного и нержавеющего

проката объясняется специфическими особенностями строения кристаллической решетки этих материалов. Характеристикой, определяющей пластичность или способность материала к упрочнению, является отношение условного предела текучести, соответствующего 0.2-процентной остаточной деформации, к пределу прочности 0.2/в. Чем меньше это отношение, тем более пластичен материал и тем большей работы и сил резания требует он для снятия одного и того же объема металла. Величина этого отношения для жаропрочных сплавов составляет до 0.4…0.45, в то время как для обычных конструкционных сталей эта величина составляет 0.6…0.65 и более.
Вследствие повышенной способности к упрочнению при пластической деформации жаропрочных сплавов значения в могут возрасти в 2 раза (с 60 до 120 кгс/мм), т – в 3…4 раза (с 25-30 до 100 кгс/мм), при этом относительное удлинение уменьшается с 40-65 до 5-10%.
2. Малая теплопроводность обрабатываемого материала, приводящая к повышенной температуре в зоне контакта, а следовательно, к активации явлений адгезии и диффузии, интенсивному схватыванию контактных поверхностей и разрушению режущей части инструмента. Эти явления не позволяют в ряде случаев использовать при обработке жаропрочных материалов недостаточно прочные инструментальные материалы, в первую очередь, твердые сплавы. Вместе с тем при использовании быстрорежущего инструмента по тем же причинам приходится принимать весьма малые скорости резания. Учитывая плохой теплоотвод при обработке жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, основное значение приобретают охлаждающие свойства СОЖ.
3. Способность сохранять исходную прочность и твердость при повышенных температурах, что приводит к высоким удельным нагрузкам на контактные поверхности инструмента в процессе резания. Усугубляет действие этого фактора низкая теплопроводность этих материалов, благодаря чему высокая температура на контактных поверхностях не позволяет заметно снизить механические свойства по всему сечению срезаемого слоя.
4. Большая истирающая способность жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, обусловленная наличием в них кроме фазы твердого раствора еще так называемой второй фазы, образующей интерметаллидные или карбидные включения. Эти частицы действуют на рабочие поверхности инструмента подобно абразиву, приводя к увеличенному износу. Большое значение имеют также структурные превращения, происходящие в этих материалах в процессе пластической деформации и сопровождающиеся выпадением карбидов. Все описанные выше твердые включения совместно с высокими температурами на контактных поверхностях приводят к интенсивному абразивному и диффузионному износу режущей части инструмента, к явлениям адгезии (схватывания). Поэтому коэффициенты трения жаропрочных и нержавеющих сталей по твердым сплавам во много раз больше, чем при трении обычной стали 20.
5. Пониженная виброустойчивость движения резания, обусловленная высокой упрочняемостью жаропрочных и нержавеющих материалов при неравномерности протекания процесса их пластического деформирования. Возникновение вибраций приводит к переменным силовым и тепловым нагрузкам на рабочие поверхности инструмента, следовательно, к микро- и макровыкрашиваниям режущих кромок. При наличии вибраций особенно неблагоприятное влияние на износ инструмента оказывают явления схватывания стружки с передней поверхностью инструмента.
Учитывая рассмотренные особенности, процесс резания жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов протекает таким образом: вначале рабочие поверхности инструмента соприкасаются с относительно мягким, неупрочненным металлом и под их воздействием происходит пластическая деформация срезаемого слоя, сопровождаемая значительным поглощением прикладываемой извне (инструментом) энергии. При этом срезаемый слой получает большое упрочнение и приобретает свойства наклепанного металла, т. е. становится хрупким. Запас пластичности при этом в значительной мере исчерпывается и происходит сдвиг – разрушение, образование элемента стружки. Малая теплопроводность этих материалов приводит к резкому снижению отвода тепла в стружку и обрабатываемую заготовку, а следовательно, повышению температуры в зоне контакта режущей части инструмента и заготовки с активизацией процессов адгезии и диффузии. В результате этого значительно увеличиваются износ инструмента и явления налипания (схватывания), вызывающие разрушение режущих кромок. Интенсификации этих процессов способствуют повышенные механические характеристики обрабатываемого материала при высокой температуре, большая истирающая способность материалов, а также переменное воздействие этих факторов, обусловленное вибрациями.
В настоящее время существует много способов облегчения обработки резанием труднообрабатываемых материалов, в том числе жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов. Самыми очевидными из них являются способы, направленные на повышение стойкости применяемых режущих инструментов. Это, прежде всего, правильный выбор марки инструментального материала и геометрии режущей части инструмента, а также обязательное применение охлаждения в зоне резания с использованием различных охлаждающих сред.
При обработке жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов необходимо и целесообразно применение инструментов, изготовленных из инструментальных материалов, обладающих более высокими режущими свойствами: более высокой красностойкостью, хорошей сопротивляемостью абразивному износу и стабильностью режущих свойств. Согласно исследованиям, проведенным в этой области целесообразно предварительную обработку труднообрабатываемых материалов производить твердосплавными резцами, а чистовую – твердосплавными и быстрорежущими. Из быстрорежущих сталей при обработке жаропрочных сплавов наилучшие результаты дают применение кобальтовых и ванадиевых быстрорежущих сталей (Р14Ф4, Р10К5Ф5, Р9Ф5, Р9К9). Их применение приводит к значительному сокращению расхода режущего инструмента, снижению себестоимости выпускаемой продукции и повышению производительности.
Из применяемых твердых сплавов выделяют 3 вида. Первый вид, называемый “износостойким” – Т30К4, Т15К6, ВК3 и др. – сравнительно твердый и обладает высокой сопротивляемостью износу. Второй вид сплавов – Т5К7, Т5К10 и др. – обладает большей вязкостью, но меньшей износостойкостью. Третий вид – ВК6А, ВК8 – имеет наименьшее сопротивление износу, но большую вязкость и нечувствительность к удару. Кроме того при чистовой и отделочной обработке жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов в качестве инструментальных материалов применяют минералокерамику, а также естественные и синтетические сверхтвердые материалы.
Существенное влияние на повышение стойкости инструментов при резании труднообрабатываемых материалов оказывают специальные методы упрочнения их рабочих поверхностей: хромирование, цианирование, электроискровое упрочнение, радиоактивное облучение и др. для быстрорежущих сталей. А на твердосплавные пластины из прочного (вязкого) твердого сплава наносят тонкий слой (

5мкм) другого твердого сплава (TiC), обладающего высокой износоустойчивостью. Для повышения износоустойчивости минералокерамики применяют плакирование – покрытие защитными пленками.
Применение смазывающе-охлаждающих жидкостей при резании металлов увеличивает стойкость режущего инструмента, улучшает качество обработанной поверхности и снижает силу резания. В настоящее время применение технологических сред считают одним из основных способов улучшения процессов резания труднообрабатываемых материалов. Следует отметить, что эффективность применения технологических сред определяется их физико-химическим составом и способом подачи в зону резания.
Эффективными являются такие методы охлаждения режущего инструмента, как высоконапорное охлаждение, подаваемое тонкой струей на заднюю поверхность инструмента, охлаждение распыленной жидкостью и охлаждение углекислотой.
При высоконапорном охлаждении жидкость, вытекая под большим давлением, распыляется и, соприкасаясь с нагретым металлом, быстро испаряется, интенсивно отбирая тепло. Такое охлаждение дает увеличение стойкости инструмента в 3…6 раз по сравнению с сухим резанием. Еще лучших результатов можно достигнуть применением одновременно высоконапорного охлаждения со стороны задней грани резца и подачи жидкости под давлением сверху на стружку. Недостаток высоконапорного охлаждения – разбрызгивание жидкости и образование паров, затрудняющих наблюдение за работой инструмента.
Эти недостатки устраняются при охлаждении зоны резания путем распыления СОЖ сжатым воздухом. При этом уменьшается расход эмульсии. Стойкость инструмента увеличивается в 2…3 раза по сравнению с работой всухую.
Охлаждение углекислотой является наиболее эффективным, однако и более дорогим методом охлаждения. Жидкий углекислый газ, содержащий до 50% твердых частиц углекислоты снегообразной формы, под давлением подается в зону резания. В виде инея эти частицы с температурой -79 °С оседают на поверхность металла и вскипают, поглощая 158 ккал тепла на 1 кг углекислоты.
Методика назначения режимов резания при обработке деталей из жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов в основном такая же, как и при резании обычных конструкционных материалов. Необходимо только учитывать специфические особенности их резания.
При конструировании станков, инструментов и приспособлений для обработки деталей из труднообрабатываемых материалов необходимо обеспечивать:
1) повышенную жесткость механизмов для восприятия больших сил резания с минимальными деформациями;
2) высокую виброустойчивость системы станок-приспособление-инструмент-деталь в условиях резания со значительными ударными нагрузками;
3) незначительные зазоры в механизме подачи станка для равномерного резания упрочняющегося обрабатываемого материала;
4) достаточный запас мощности электродвигателя станка, так как при резании жаропрочных сплавов силы резания больше, чем при обработке обычных конструкционных материалов;
5) приспособления для обработки деталей должны быть прочными и жесткими, в них необходимо предусмотреть каналы для отвода стружки;
6) инструменты должны быть короткими и жесткими.
Кроме всего выше перечисленного добиться улучшения обрабатываемости жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов можно за счет:
1) воздействия на структуру и механические показатели материалов с помощью специальной термической обработки;
2) введения в зону резания ультразвуковых колебаний, облегчающих пластические деформации, снижающих коэффициент трения и повышающих температуру;
3) подогрева обрабатываемого материала в печах или с помощью газовых горелок на станках или путем электроиндуктивного или электроконтактного нагрева;
4) введения в зону резания слабых токов, что позволяет управлять механизмами электродиффузионного и окислительного износа режущего инструмента.

Литература:
1. Обработка резанием жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов. / Под ред. Н. И. Резникова. – М.: Машиностроение, 1972. – 200 с.
2. Подураев В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов. – М.: Высшая школа, 1974. – 587 с.
3. Шифрин А. Ш., Резницкий Л. М. Обработка резанием коррозионностойких, жаропрочных и титановых сталей и сплавов. – М.- Л.: Машиностроение, 1964. – 448с.

Доклад Ткач М. А. Всеукраинская научно-техническая студенческая конференция. ДГМА. 19.04.05.

Ссылка на основную публикацию