ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОВЫШЕННЫХ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ СПЛАВОВ

Технический прогресс в машиностроении требует использования новых конструкционных материалов, обладающих более высокими прочностными характеристиками или улучшенными физическими свойствами, например, жаропрочных, нержавеющих, метастабильных аустенитных упрочняющихся сталей и сплавов.

При использовании таких материалов для изготовления деталей машин достаточно сильно повышает их надежность и срок службы, но, в основном, снижает технологичность при обработке резанием. Если оценить обрабатываемость резанием по высоте скорости резания при заданной стойкости инструмента, то в основном для труднообрабатываемых сталей и сплавов она уменьшается в десятки раз по сравнению с обычными конструкционными сталями. Так, например, если взять скорость резания для стали 45 за эталон, то для нержавеющей стали 12Х18Н9Т она снизится в два раза, для жаропрочной стали 4Х12Н8Г8МФБ – в три, для марганцевой стали Г13Л – в десять раз, а некоторые жаропрочные сплавы обрабатываются в восемьдесят раз медленнее [2]. Химический состав труднообрабатываемых сталей и сплавов имеет наибольшее влияние на их обрабатываемость резанием, химический состав в совокупности с термообработкой определяет рабочие характеристики этих материалов: жаропрочность, коррозионную стойкость, механическую прочность, износостойкость и т. д. Большое влияние на обрабатываемость сталей и сплавов имеет высокая степень их легирования, причина заключается в образовании дисперсных фаз на основе легирующих элементов, которые упрочняют твёрдый раствор сплава, за счёт чего быстро изнашивается режущий инструмент. Значительно влияют на обрабатываемость способность сохранять исходную твердость и прочность при высоких температурах. Стойкость режущего инструмента существенно зависит от соотношений «горячих твердостей» и прочности инструментального материала и заготовок. Самые труднообрабатываемые жаропрочные стали и сплавы незначительно уменьшают твердость и прочность с увеличением температуры нагрева [7].

Так же сложности вызывает упрочнение некоторых сталей в процессе резания. Так твёрдость сталей аустенитного класса увеличивается в несколько раз в следствие упрочнения (к примеру, стали Г13Л). Теплопроводность так же влияет на сложность обрабатываемости металлов и их сплавов, зачастую причиной трудной обрабатываемости многих материалов при резании является их не большая теплопроводность. Теплопроводность титановых сплавов, например, в 6–8 раз ниже, чем конструкционных сталей, а температуры резания, при одинаковых условиях, также повышаются в 2–2,5 раза. Практика и теория резания металлов располагают огромным набором средств улучшения обрабатываемости. Это в первую очередь термообработка, изменяющая перед резанием структурное и фазовое состояния обрабатываемого материала, мешающих его обработке и способствующих способность изнашивать режущий инструмент, и способность его к пластической деформации, т. е. к упрочнению [3].

Первым способом увеличения параметров резания является воздействие на обрабатываемый материал.

Микролегирование материала заготовки редкоземельными элементами, такими как медь, свинец, а также теллур и селен, даёт значительный эффект улучшения обрабатываемости материала. Облегчение обрабатываемости резанием высокопрочных сталей и их сплавов достигается с дополнительным или предварительным нагревом заготовки или её части, подлежащей удалению.

Нагрев заготовки временно уменьшает механические свойства обрабатываемого материала, которые дают ему способность сопротивляться пластическим деформациям с сохранением режущих свойств инструмента, по этой причине резание с нагревом подразумевает, прежде всего, обработку твердосплавным инструментом.

Нагрев поверхности контакта уменьшает удельную работу резания. При обработке нержавеющих сталей (до 17 % молибдена) с нагревом напряжение в плоскости сдвига снизилось на 40–50 %. работа на стружкообразование при всём этом снизилась на 30–40 %.

Передовые предприятия нашей страны показали, что достаточно нагревая заготовку можно получить значительное увеличение стойкости режущего инструмента, снижение сил резания и улучшение качества обработанной поверхности. Так, во время точения стержня из материала на основе вольфрама при нагреве до 400°С в трубчатой печи, движущейся относительно стержня перед резцом, стойкость инструмента вырастает в 4–6 раз, твердость обрабатываемого материала уменьшается с 400 до 180, предел прочности снижается с 95-И 00 до 72-J-78 кгс/мм², относительное удлинение увеличивается с 0 до 6–7 %.

Во время резания закаленной быстрорежущей стали с твердостью HRC60 со скоростью резания V = 15 м/мин резец практически сразу изнашивается, а при нагреве работает 25 мин. При обработке сплава с твердостью НВ 600 при V=140 м/мин, изначальная стойкость инструмента составляет 30 с, а с нагревом до 250°С – 11 мин, до 350°С – 15 мин, до 430°С–20 мин, т. е. время работы инструмента выросло в 40 раз. Повышение стойкости инструмента почти в 15–20 раз достигается обработкой при нагреве до 400–500°С штамповой стали как при точении, так и при фрезеровании [4].

В металлургическом производстве огневая зачистка проката газовым пламенем требует больших затрат и небезопасна с точки зрения охраны труда. Многие металлургические заводы заменили огневую зачистку фрезерованием нагретых заготовок в линии проката.

Так же в виде предварительного нагрева широко используется нагрев, полученный при предыдущих технологических операциях: прокате, отливке, наплавке. Дополнительный нагрев производят с помощью электронных, индукционных, газовых и плазменных установок [8].

Вторым способом повышения режимов резания является совершенствование режущего инструмента.

Использование многогранных пластин имеет большие перспективы в направлении совершенствования режущего инструмента. Инструмент с такими пластинами имеет ряд преимуществ в автоматизированном производстве перед напайным инструментом. Снижение затрат на одну режущую кромку и уменьшение времени на смену и восстановление инструментов, сокращение потерь вольфрама, титана, кобальта до 6 раз, за счет регенерации и многоразового использования твердосплавной пластины, ненадобность пайки пластины (за счёт чего исчезает опасность возникновения трещин), более стабильное качество режущего инструмента. Уровень применения резцов с механическим креплением в настоящее время высок и продолжает расти.

Но также использование многогранных пластин выявило и их недостатки, проявившиеся вследствие того, что при создании резцов с механическим креплением не учитывались особенности самого процесса резания.

Доработка требуется как по форме, так и по геометрическим параметрам многогранных пластин, а также методам их крепления. Возникла такая необходимость, к примеру, на станках с ЧПУ в не стандартных условиях резания труднообрабатываемых сплавов и сталей.

При применении, например, их для обработки труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ выявлено, что инструмент, оснащенный стандартной многогранной пластиной, либо не обеспечивает точность обработки, либо обладает недостаточной жесткостью крепления и по причине сложности обеспечения необходимых передних углов имеет узкую область применения. Отсутствует возможность увеличения подачи при резании труднообрабатываемого сплава, так как увеличиваются силы резания и появляются вибрации по причине малых положительных или отрицательных передних углов на многогранных пластинах. Известные проблемы завивания стружки также остаются актуальными при использовании многогранных пластин в автоматизированном производстве.

Проблема разработки конструкции пластин для обработки труднообрабатываемых сплавов и сталей, отвечающих условиям жёсткости крепления, точности базирования и надежном сходе стружки, а также условию обеспечения увеличенных передних углов отхода стружки остаётся актуальной и сейчас [1].

Остаются актуальными работы по обнаружению необходимых геометрических параметров инструмента и режимов резания. Это направление позволяет как можно быстро и с низкими затратами в большей степени решить проблемы увеличения производительности резания, повышения стойкости и площади обработанной поверхности. Так для увеличения производительности чистового точения труднообрабатываемых сплавов разработан резец с одной кромкой, имеющим одну режущую кромку под углом 45° к его опорной поверхности. Однокромочный резец нашёл применение для точения изделий небольшого диаметра 80–100 мм при условии необходимой жёсткости его крепления. Однако вследствие возникновения больших сил резец не может быть применен для получистового и чернового точения какого-либо труднообрабатываемого сплава или стали, а также при точении больших диаметров и торцевых поверхностей.

С целью обеспечения равномерности износа зачищающей режущей кромки была разработана конструкция резца для токарной чистовой обработки с увеличенным радиусом закругления зачищающей кромки, центр которой смещен на величину 1,5–2,5 мм от точки пересечения ее с главной режущей кромкой, вследствие чего образовался участок переходной режущей кромки с малым углом в плане. Это позволяет выровнять износ вблизи зачищающей кромки, благодаря чему, вдвое увеличилась площадь обработанной поверхности. Так же очевидно, что такая геометрия вершины резца может применяться и для получистовой обработки на повышенной подаче [6].

Таким образом, выше изложенные примеры показывают, что совершенствование геометрических параметров режущего инструмента, как и раньше осталось одним из наиболее эффективных методов повышения режимов резания при обработке резанием.

Одной из многих особенностей этого направления является то, что рекомендации по рациональным геометрическим параметрам сохраняются эффективными и в узкой области резания и в общем случае не могут рассматриваться отдельно от них, а должны выбираться в совокупности.

Это также относится и к определению переднего угла, величина которого оказывает влияние на характер процесса стружкообразования, а также на прочность режущего клина инструмента, и, как следствие, на его износостойкость. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что увеличение переднего угла существенно уменьшает тепловыделение, а также силовые нагрузки на инструмент. Особенно сильное уменьшение сил резания наблюдается в области больших передних углов.

Но увеличение переднего угла на инструментах с плоской передней поверхностью ограничивается необходимостью обеспечения прочности режущего клина. В связи с чем величина переднего угла у такого инструмента при точении труднообрабатываемого сплава или стали в основном не превышает 10°.

Это ограничение исчезает при помощи применения инструмента с укороченной передней поверхностью, у которого обеспечивается необходимая прочность режущего клина путём уменьшения переднего угла на фаске лезвия, а возможность схода стружки под увеличенным передним углом – увеличением наклона передней поверхности за фаской.

Форма укороченной передней поверхности, а также режимы резания, были подобранны таким образом, чтобы стружка сходила под большим передним углом, обеспечивают значительные преимущества процесса точения такими резцами перед процессом точения и инструментами с полной передней поверхностью. Необходимым условием эксплуатации инструментов, работающих по схеме с укороченной передней поверхностью, является обеспечение увеличенного переднего угла. Однако в отличие от обработки резцами с полной передней поверхностью, действительный передний угол отхода стружки на резцах с укороченной передней поверхностью обеспечивается не только конструктивными и геометрическими параметрами инструмента, но и зависит также от режимов резания, при изменении которых он значительно изменяется. Это накладывает особые условия на выбор режимов резания для таких инструментов [5].

Выводы.

1. Выявлено положительное воздействие предварительного нагрева материала перед обработкой резанием. Существенное увеличение стойкости инструмента.

2. Доказано, что применение схемы резания с укороченной передней поверхностью при обработке высокопрочного материала с низкими теплофизическими характеристиками позволяет значительно снизить температуру в зоне стружкообразования.

3. На основе аналитических исследований выявлено, что длина участка свободной поверхности стружки, имеющего температуру деформации, при точении резцами с укороченной передней поверхностью зависит от толщины стружки.

4. Установлено, что интенсивность изнашивания резцов с укороченной передней поверхностью при равных температурах на передней поверхности выше, а при одинаковых режимах резания ниже интенсивности изнашивания резцов с полной передней поверхностью.

Список литературы:

1. Баранчиков В. И. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: справ. М.: Машиностроение. 1990. 400 с.
2. Высокопроизводительная обработка металлов резанием: моногр. / Рец. Д. В. Виноградов. М.: Полиграфия, 2003. 301 с. ISBN 5-89479-027-1.
3. Когаев В. П., Ю. Н. Дроздов. Прочность и износостойкость деталей машин. Учебник для вузов М.: Машиностроение, 1991. 318 с.
4. Котельников В. И., Краснов А. О. Повышение производительности механической обработки за счет применения резания металла с нагревом / Материалы и технологии ХХI века: сб. V Междунар. науч.-техн. конф. Пенза, 2007. С. 73–77.
5. Кушнер В. С., Бургонова О. Ю. Теория стружкообразования: моногр. Омск ОмГТУ, 2011. 162 с.
6. Петрушин С. И., Грубый С. В. Обработка чугунов и сталей сборными резцами со сменными, многогранными пластинами: моногр. Томск: Изд-во ТПУ, 2000. 156 с.
7. Сахаров Г. Н., Арбузов О. Б., Боровой Ю. Л. [и др.] Металлорежущие инструменты. Учебник для вузов М.: Машиностроение, 1989. 327 с.
8. Хасин Г. А., Дианов А. И., Попов Т. П. Электротермическая обработка и теплое волочение стали. М.: Металлургия, 1984. 284 с.