3. Механическая обработка в производстве авиационных двигателей и их агрегатов

3.1. Обрабатываемость материалов резанием

Обрабатываемость — это технологическое свойство материала, определяю­щее его способность подвергаться резанию.

Обрабатываемость оценивают:

• стойкостью режущего инструмента Т, количеством обработанных деталей, значением пути, пройденного режущей кромкой до износа;

• достижимой скоростью резания V;

• силой резания или потребляемой мощностью;

• состоянием поверхностного слоя (шероховатостью, значением и знаком остаточных напряжений, степенью деформации поверхностных слоев);

• формой образующейся стружки.

Обычно обрабатываемость оценивают сравнением какого-либо из перечис­ленных показателей с аналогичным показателем эталонного материала, выражая ее относительными коэффициентами

INCLUDEPICTURE "J:\\..\\..\\Users\\ftanke\\AppData\\Local\\Temp\\FineReader10\\media\\image5.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "../../../Users/ftanke/AppData/Local/Temp/FineReader10/media/image5.jpeg" \* MERGEFORMAT

где К_Т, K_V, К_Р — коэффициенты обрабатываемости по стойкости, скорости и си­ле резания соответственно; Т, V, Р — стойкость, скорость и сила резания при обработке оцениваемого материала; Т_э, V_э, Р_э— стойкость, скорость и сила реза­ния при обработке эталонного материала.

Сравниваемые величины определяют в равных условиях (оборудование, ин­струмент, режимы резания). В табл. 3.1 приведены значения коэффициента об­рабатываемости различных материалов по скорости.

По стандарту ISO различают следующие группы обрабатываемости мате­риалов:

Р — низколегированные, среднелегированные, высоколегированные стали, литые стальные заготовки и другие материалы, при резании которых образуется сливная стружка;

М — коррозионно-стойкие стали ферритно-мартенситного класса, коррози­онно-стойкие стали аустенитного и аустенитно-мартенситного классов, высоко­марганцовистые, тепло- и жаропрочные высоколегированные стали;

К — различные виды чугунов и другие материалы, дающие стружку надло­ма, некоторые цветные металлы и их сплавы, пластмассы, стеклопластики и древесину;

S — жаропрочные сплавы на никелевой, кобальтовой и железоникелевой основах, титановые сплавы;

Н — материалы с высокой твердостью;

N — алюминиевые сплавы.

Материалы	Марки материалов	Кv (по сравнению со сталью 45)
Алюминиевые сплавы	-	1,2...2,5
Коррозионно-стойкие и жаропрочные стали	1Х12Н2ВМФ ЭП 573 Ш	0,60 0,26...0,3
Титановые сплавы	ВТ1, ВТ5, ВТ5-1 ВТ6, ВТ20, ВТ22	0,35...0,48 0,22...0,26
Жаропрочные никелевые сплавы: Деформируемые литейные	ХН77ТЮР, ХН73МБТЮ ЖС6КП, ВЖЛ12-У, ВЖ36-Л2, ЖС32-ВП	0,14... 0,22 0,07...0,35
Тугоплавкие металлы и сплавы: вольфрам, тантал, молибден	-	0,03...0,05

Каждая группа материалов делится на подгруппы. Эта классификация ис­пользуется при выборе типа инструментального материала, геометрии рабочей части инструмента и назначении режимов резания.

Легирование, применяемое для повышения жаропрочности и жаростойкости сталей, титановых и никелевых сплавов, широко применяемых в производстве авиационных двигателей, резко снижает обрабатываемость резанием. Это обу­словлено высокой прочностью, вязкостью, наличием твердых упрочняющих фаз (карбидов, интерметаллидов), значительным упрочнением в процессе резания, низкой теплопроводностью, способностью сохранять твердость и прочность при высоких температурах.

Большие силы резания, возникающие при обработке высокопрочных и жа­ропрочных материалов, интенсифицируют тепловыделения и снижают допусти­мые скорости резания и производительность. Комбинированное воздействие больших сил резания и температур приводит к ускоренному износу режущих кромок инструмента.

Резание жаропрочных никелевых сплавов сопровождается наростообразованием в широком диапазоне рабочих скоростей, высокими удельными нагрузка­ми на инструмент, температурой в зоне резания, вибрациями.

Силы резания при обработке титановых сплавов находятся на том же уров­не, что и у сталей, а более низкая их обрабатываемость связана с меньшей тепло­проводностью и высоким коэффициентом трения, увеличивающими температу­ру в зоне резания. Кроме того, титановые сплавы имеют меньший почти в два раза модуль упругости, что снижает жесткость деталей и способствует возник­новению вибраций, особенно при жестких режимах обработки. Высокая химическая активность титана является причиной повышенного химического износа инструмента. Особенно низка обрабатываемость титановых сплавов при наличии альфированного (газонасыщенного) слоя, возникающего при штам­повке и термообработке. Альфированный слой имеет твердость, сопоставимую с твердостью закаленной стали.

В зависимости от металлургических особенностей обрабатываемого мате­риала и его физико-механических свойств изменяются характер и механизм изно­са инструмента. К изнашиванию инструмента приводят следующие причины:

• колебания силы резания при обработке (вибрации, прерывистое резание);

• наличие твердых включений в обрабатываемом материале;

• упрочнение материала в процессе резания;

• химические реакции между обрабатываемым материалом и материалом инструмента, материалом инструмента и средой при высоких температурах в зоне резания. При обработке жаропрочных сплавов температуры достигают 800 °С. Для таких условий, в частности, характерен окислительный износ;

• растворение материала инструмента обрабатываемым материалом. Этот процесс сопровождается диффузией компонентов инструментального материа­ла, которые уносятся стружкой (диффузионный износ).

В определенных условиях резания вследствие действия высоких контактных давлений и сил трения частицы обрабатываемого материала привариваются к по­верхности инструмента, образуя нарост. Периодическое образование и сход на­роста приводят к повышенному износу инструмента, если прочность связей, обра­зующихся на границе нароста с поверхностью инструмента, превышает прочность инструментального материала. После схода нароста на поверхности остаются ха­рактерные кратеры — следы от хрупкого выкрашивания карбидов. Наличие по­крытий, снижающих коэффициент трения и обладающих низкой адгезией к обра­батываемому материалу (например, TiN), позволяет уменьшить или устранить наростообразование. Эффективный способ борьбы с наростообразованием — применение инструмента с большими передними углами, что позволяет умень­шить давление в зоне контакта стружки с передней поверхностью. С наростообра­зованием можно бороться, используя СОЖ и оптимизируя режимы обработки.

Основными направлениями повышения обрабатываемости резанием счита­ются приведенные ниже.

• Использование предварительной термической обработки. В данном случае стремятся получить структуру сплава, обеспечивающую меньшую твердость и отсутствие выделений твердых фаз, приводящих к увеличению абразивного из­носа инструмента.

• Оптимизация геометрии режущей части ин­струмента. Точение с положительным передним углом используют на получистовых и чистовых операциях. Такая геометрия позволяет уменьшить степень деформации и глубину упрочненного слоя. Особое внимание уделяют остроге режущих кромок и отделке рабочих поверхностей инстру­мента. Тупые кромки увеличивают силы резания, степень и глубину упрочнения, шероховатость об­работанной поверхности. Наличие радиуса при вершине инструмента увеличивает прочность ре­жущей кромки, стойкость инструмента, улучшает условия отвода теплоты, способствует равномер­ному распределению нагрузки по режущей кром­ке. На прочность режущей кромки влияет значение угла при вершине резца (рис. 3.1).

• 

• Увеличение жесткости режущего инструмента и технологической системы в целом повышает точность обработки, способствует снижению амплитуды виб­раций, приводящих к росту шероховатости и уменьшению стойкости инстру­мента. Особенно затруднена обработка тонкостенных маложестких деталей, в частности из титановых сплавов, которые, как отмечалось выше, имеют низкий модуль упругости.

• Применение эффективных инструментальных материалов и специальных

покрытий.

Важнейшими прочностными характеристи­ками инструментальных материалов являются пределы прочности на изгиб и сжатие, а также ударная вязкость. Это обусловлено особенно­стями нагружения режущей части, имеющей консольное расположение.

Нагрев инструментального материала при резании приводит к снижению его твердости (рис. 3.2). Свойство материала сохранять необ­ходимую твердость при высокой температуре называется теплостойкостью. Она характеризу­ется критической температурой, определяющей допустимую скорость резания.

Свойства некоторых инструментальных ма­териалов приведены в табл. 3.2.

При резании труднообрабатываемых мате­риалов используют инструмент из твердых сплавов (металлокерамика), алмазов, кубиче­ского нитрида бора и минералокерамики. Быст­рорежущие стали при резании труднообрабатываемых материалов применяют редко. Это обусловлено их сравнительно низкой твердостью, сопротивлением деформированию и теплостойкостью. Иногда их используют на черновых опе­рациях и для инструмента, работающего при малых скоростях резания (развер­ток, протяжек и т. д.).

Таблица 3.2

Материалы	Марка	Микро­твер­дость, МПа	Тепло­стой­кость, К	Предел прочности, МПа		Ударная вязкость, Дж/м2,10-6	Коэффициент относительной скорости резания
				на из­гиб	на сжа­тие
Твердые сплавы	Т15К6 ВК8	27500 15700	1176 1123	ИЗО 1570	3900 4410	2,94 5,88	4 3
Быстрорежу­щая сталь	Р18	13200	888	3530	3530	9,81	1
Минералоке-рамика	ЦМ332	22500	1473	390	1470	0,98	5...1
Кубический нитрид бора (КНБ)	Эльбор	90700	1573	785	-	-	6...8
Легированная сталь	ХВГ	11800	503	3430	3430	9,81	0,6
Углеродистая сталь	У10А	12800	493	2940	2940	9,81	0,4
Алмаз	А	98700	973	290	1960	—	1,5

Для резания труднообрабатываемых материалов иногда используют специ­альные инструментальные сплавы. (Один из таких сплавов содержит 45 % ко­бальта, 32 % хрома, 21 % вольфрама и 2 % углерода.) Эти материалы обеспечи­вают большую твердость при повышенных температурах и стойкость, чем быст­рорежущие стали.

Твердые сплавы в настоящее время остаются наиболее распространенными инструментальными материалами. Твердосплавный инструмент, в том числе с износостойкими покрытиями, применяют для изготовления примерно 95 % рез­цов, 4,5 % фрез, 1 % осевого инструмента (сверл, зенкеров, разверток). Для получистовой и чистовой обработки используют твердые сплавы с мелкозернистой и особомелкозернистой структурой и содержанием кобальта около 6 %. Для черновой обработки и обработки прерывистых поверхностей используют твер­дые сплавы с 10 % кобальта.

Покрытия на инструмент обычно наносят вакуумным ионно-плазменным напылением (PVD) и термохимическим осаждением (CVD). Например, водород,хлорид титана и метан в атмосфере азота образуют конденсацию на поверхно­стях инструмента покрытия TiCN.

Инструмент с покрытиями PVD используют как для обработки титановых сплавов, так и на никелевой основе. Покрытия получаются тонкими и гладкими с малыми остаточными напряжениями, высокой стойкостью к зазубринам и ско­лам режущей кромки. Они более вязки и прочны в сравнении с покрытиями CVD и химически инертны к большинству материалов. Недостатком PVD по­крытий является сравнительно низкая прочность сцепления с подложкой, однако в последние годы в связи с совершенствованием технологии нанесения этот не­достаток фактически устранен.

Покрытия CVD целесообразно использовать при обработке вязких сталей и сплавов на никелевой основе, реже титановых сплавов. Обычно используют по­крытия TiN и TiC, но при обработке химически активных материалов более эф­фективны покрытия на основе АЬОз. Нанесение вязких покрытий позволяет устранить образование зазубрин и сколов на режущей кромке.

Наиболее часто для упрочнения инструмента используют покрытие TiN, од­нако покрытие TiAIN тверже, чем TiN, и более химически стабильно, что позво­ляет применять его при обработке с высокими скоростями резания, а покрытие TiCN имеет большую стойкость, чем TiN.

Инструменты с покрытиями при обработке сплавов на никелевой основе ра­ботают на скорости резания около 15 м/мин, при резании жаропрочных сталей — 90 м/мин, а титановых сплавов — 180 м/мин.

Допустимые скорости резания твердых сплавов с покрытиями на 20...50 % выше, чем без покрытий.

Таблица 3.3

Состав покрытия	МикротвердостьHV	Максимальная рабочая температура, °C	Коэффициент трения
TiN	1930...2200	600	0,5
TiC	2800... 3000	400	-
TiCN	3000	400	0,4
TiAIN	3000... 3500	540	0,4
TiAlCrN	3500	920	0,4
TiAlCrYN	2700	950	-
CrN	1650...2150	700	0,5
A1203	2100...3000	1200	-
ZrN	2800	600	0,6
MoS2	1500	-	0,02
WC/C	1500	300	0,2

В табл. 3.3 приведены свойства покрытий, применяемых для упрочнения режущего инструмента.

В настоящее время широкое распространение получили многослойные по­крытия, выполняющие несколько различных функций. Строение и структура таких покрытий показаны на рис. 3.3.

Многослойное нанесение покрытий позволяет увеличить их прочность и по­лучить комплекс свойств, обеспечивающих высокую стойкость инструмента (снижение трения, термобарьерный эффект, сопротивление абразивному, диф­фузионному и окислительному износу).

Недостатком инструмента с покрытиями является снижение остроты режу­щей кромки в процессе нанесения покрытия.

Алмазы и кубический нитрид бора (КНБ) используют главным образом для обработки упрочненных сплавов, включая сплавы на никелевой основе. Высокие твердость и рабочая температура позволяют инструменту из КНБ (отечествен­ные марки эльбор-Р, композит, исмит, гексанит-Р и др.) сохранять остроту ре­жущих кромок при высоких контактных давлениях и температурах, характерных для резания труднообрабатываемых материалов.

Исследования процесса резания жаропрочных сплавов инструментом из сверх­твердых материалов при изменении скорости резания в диапазоне 12...300 м/мин позволили установить критические значения скоростей резания. Так, критичес­кая скорость резания сплава ХН62БМКТЮ составляет 150...200 м/мин и харак­теризует начало стружкообразования по схеме локализованного сдвига, при ко­тором происходит переход от сливной стружки к элементной. Кроме того, при использовании инструмента из КНБ силы резания на 20...30 % меньше, чем при обработке инструментом из твердого сплава, а шероховатость обработанной по­верхности ниже.

Алмазы и КНБ относительно дороги, однако их использование может быть экономически выгодно вследствие высокой стойкости.

Керамические инструментальные материалы, изготавливаемые из нитрида кремния и оксида алюминия, используют для обработки жаропрочных сплавов, в основном для черновой обработки.

INCLUDEPICTURE "J:\\..\\..\\Users\\ftanke\\AppData\\Local\\Temp\\FineReader10\\media\\image8.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "../../../Users/ftanke/AppData/Local/Temp/FineReader10/media/image8.jpeg" \* MERGEFORMAT

Однако некоторые сорта керамик могут применяться и для получистовой обработки. Керамики системы Al₂0₃-TiC при­годны для обработки при высоких скоростях. Однако и их применение ограни­чивается черновой обработкой из-за большого радиуса режущей кромки, нали­чия зазубрин и сколов. Точение рекомендуется вести с большими передними углами и при эффективном охлаждении. Для увеличения прочности разработаны керамические композиционные инструментальные материалы на основе нитрида кремния, наполненные волокнами сиалона или карбида кремния, но и эти мате­риалы более пригодны для черновой обработки. Инструмент из керамокомпозитов обеспечивает обработку при скоростях резания до 150 м/мин, точение титано­вых сплавов может выполняться со скоростью резания на 75 % большей, чем твердосплавным инструментом. Один из таких материалов — WG-300, разрабо­танный фирмой Greenleaf, — содержит 50 % А1₂0₃ + 50 % волокон SiC и имеет вязкость, близкую к твердым сплавам.

Прочность и стойкость инструмента зависят от формы режущих кромок (на­личия скруглений, фасок и т.д.). Для неперетачиваемых пластин она задается производителем. Форма режущих кромок выбирается исходя из условий обработ­ки. Для стандартных пластин предусмотрены формы, приведенные на рис. 3.4.

Для материалов с хорошей обрабатываемостью и для чистовой обработки используют острые режущие кромки (L) или кромки с небольшими фасками. Для обработки большинства материалов используют пластины с упрочняющей фаской (М), а для предварительного фрезерования со снятием больших припус­ков и при ударных нагрузках рекомендуют геометрию с двойной упрочняющей кромкой.

Сопротивление выкрашиванию существенно увеличивается при закругле­нии режущей кромки.

Эффективность механической обработки зависит и от других факторов:

• жесткости технологической системы и режимов обработки;

• формы и особенностей обрабатываемой поверхности (открытая, полуот­крытая, закрытая, прерывистая), колебаний припуска, наличия корки;

• геометрии режущей части инструмента;

• вида и способа подачи в зону резания смазочно-охлаждающей жидкости.

Таблица 3.4

Технологические условия	Материал режущей части инструмента
	Поликристаллы кубического нитрида бора			Режущая керамика	Безвольфрамо­вые и мало­вольфрамовые твердые сплавы
Марка инструмен­тального мате­риала	Композиты 01,10 и 10Д	Киборит Композит 02Д	Ниборит (Томал-10)	ВОКбО, ОНТ-20, ВНК10	СТИМ ЗБ\3 ТВ4, КНТ16, Т-20Н, ТН20, КТС
Обрабатываемый материал	Закален­ные стали (HRC 50...60)	Жаро­прочные сплавы	Коррози­онно- стойкие стали	Углероди­стые высоколе-гированные стали	Углероди­стые низко­легированные стали, цвет­ные металлы и сплавы
Режимы резания: v, м/мин S, мм/об t,мм	60...150 0,05...0,15 0,1...0,8	200...450 0,05...0,8 0,1...1,0	120...300 0,1...0,5 0,1...4,0	120...400 0,1...0,35 0,5...3,5	70... 800 0,1...0,5 0,1...5,0

Точность, производительность и состояние обработанной поверхности в значительной мере определяются правильным выбором параметров режима ре­зания и условий обработки.

В табл. 3.4 представлены обобщенные данные по применению инструмен­тальных материалов с учетом конкретных технологических условий.