Резание материалов

Примечание. В числителе приведены коэффициенты для НВ 179…229, в знаменателе – для НВ

229…269.

Каждому из этих механических свойств присущ вполне определенный физический смысл, который не дает оснований связывать их со стойкостью инструмента.

Связь между этими показателями и VT существует лишь постольку, поскольку они связаны с основными факторами, обусловливающими интенсивность изнашивания режущих инструментов, а именно истирающей способностью обрабатываемого материала и температурой резания, возникающими при снятии стружки. В частности, увеличение прочности и твердости уменьшает скорость VT, т.к. такому изменению механических свойств сопутствует увеличение истирающей способности и температуры резания. Увеличение вязкости и пластичности обрабатываемого материала снижает истирающую способность, что позволяет повысить скорость VT.

В практике часто пользуются следующими приблизительными зависимостями между VT и механическими свойствами металлов:

где nV – показатель интенсивности влияния НВ и временного сопротивления σb на VT;

СНВ, Сσb – постоянный коэффициент для стандартных условий резания для материалов соответственно из чугуна и стали.

Наряду с химическим составом на истирающую способность материала влияет его микроструктура. Наименьшей истирающей способностью обладает феррит, небольшой коэффициент kист имеет аустенит; истирающая способность перлита зависит от формы цементита; у пластинчатого перлита она больше, чем у зернистого, у зернистого – тем меньше, чем меньше зерна цементита; у высоколегированных сталей истирающая способность значительно увеличивается, если карбиды расположены в виде скоплений или сетки.

Наибольшая VT достигается при резании феррита, а затем по мере усиления интенсивности затупления инструментов идут зернистый и пластинчатый перлит, сорбит, троостит.

322

Однако в тех или иных технологических ситуациях используются различные показатели обрабатываемости. Подробная информация о влиянии микроструктуры на эти показатели приведена в табл. 21.

При обработке деталей на автоматизированном оборудовании серьезное внимание уделяется благоприятному стружкообразованию

иобеспечению требуемой шероховатости обработанной поверхности. Решающее влияние на последнюю оказывает микроструктура: если она состоит из зернистого перлита, сорбита и троостосорбита, зона максимальных микронеровностей смещается в зону меньших скоростей по сравнению с обработкой пластинчатого перлита; высота микронеровностей тем больше, чем больше содержание в структуре сталей свободного феррита; повышение содержания углерода и легирующих элементов способствует уменьшению шероховатости, что наблюдается также по мере увеличения размера зерна перлита. Значительная высота микронеровностей наблюдается при мелком зерне перлита и высоком содержании свободного феррита, а наилучшая – при структурах троостосорбита и сорбита с высокой твердостью.

Обрабатываемость чугунов. Обрабатываемость чугунов определяется в первую очередь их микроструктурой, в зависимости от которой они подразделяются на следующие группы: 1) ферритные, содержащие феррит и графит; 2) перлитные, содержащие перлит

ипластинчатый графит; 3) перлитные ковкие и сверхпрочные, содержащие перлит и сфероидальный графит; 4) половинчатые, содержащие перлит, графит и цементит; 5) белые, содержащие перлит

ицементит. Обрабатываемость чугунов ухудшается по мере того, как углерод из свободного состояния (графит) переходит в связанное (цементит), обладающее повышенной истирающей способностью.

На обрабатываемость чугуна влияет также размер и форма час-

тиц графита и цементита. Наилучшая обрабатываемость достигается при наличии небольших сфероидальных зерен графита. При одинаковой твердости уровень VT для чугунов с пластинчатым графитом всегда меньше. Сетка цементита или крупные его скопления резко снижают обрабатываемость чугунов. Это характерно также для обработки по корке, с окалиной или песком.

323

Таблица 21

Влияние структуры стали на показатели обрабатываемости

324

Зависимость VТ от НВ для серого чугуна более достоверна, чем для стали, а nV = 1,7.

Вследствие малых пластичности и склонности чугуна к упрочнению силы при его резании меньше, чем при обработке литых сталей на ферритной основе. Уменьшаются ширина площадки контакта на передней поверхности, размеры нароста, а заторможенный слой становится неустойчивым. Из-за малой ширины площадки контакта нормальные напряжения достаточно велики и концентрируются вблизи главной режущей кромки инструмента, способствуя ее сколам. Температура резания при обработке чугунов с пластинчатым графитом ниже, чем при обработке ферритных сталей той же твердости. Однако скорость VT при обработке чугунов ниже

(см. табл. 20).

Очевидно, в этом случае сказывается преобладающее влияние истирающей способности материала и слабое защитное действие нароста и заторможенного слоя на передней поверхности инструмента.

В машиностроении широко используются легированные чугуны различного назначения. Рассмотрим влияние на обрабатываемость основных легирующих элементов.

При небольшом содержании марганца в чугуне период стойкости инструмента не изменяется, а при его увеличении свыше 1,5 % – уменьшается.

Содержание кремния в чугуне до 2,75 % улучшает его обрабатываемость благодаря своему графитизирующему действию, повышение его свыше 3 % приводит к упрочнению феррита, образованию силикатных соединений и снижению VT.

Наличие никеля до 2 % и меди также способствует графитизации чугуна и улучшает его обрабатываемость. Цирконий и титан при добавке их до 0,4 % активно раскисляют металл и повышают VТ.

Молибден, особенно при содержании его свыше 0,5 %, упрочняет основу чугуна и ухудшает его обрабатываемость. Так же действуют добавки хрома и ванадия, кроме того, они заметно активизируют образование карбидов. Чугуны с такими добавками отличаются высокой твердостью и прочностью. Обрабатываемость чугуна ухудша-

325

ется в зависимости от формы карбидной фазы: мелкоигольчатые карбиды → длинноигольчатые карбиды → столбчатые карбиды → разорванная сетка карбидов → сплошная сетка карбидов.

Обрабатываемость алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы с точки зрения обрабатываемости можно разделить на три группы. К первой относятся сплавы низкой твердости, имеющие склонность к налипанию на инструмент, например дюралюминий в отожженном состоянии. Сплавы второй группы имеют более высокую твердость, не налипают на инструмент. К этой группе относятся термически упрочненный дюралюминий, а также кованые сплавы АК6, АК8 и др.

В третью группу входят широко распространенные литые сплавы, содержащие кремний, в частности силумины различных марок. Для первых двух групп наиболее характерно образование сливной стружки в виде длинных лент или спиралей, для третьей – стружка легко дробится на короткие элементы.

По сравнению со сталью алюминиевые сплавы обладают меньшей твердостью, более низким временным сопротивлением и лучшей теплопроводностью, что позволяет значительно повышать скорость резания и подачу. Однако выбор оптимальных условий обработки затруднен из-за совместного действия целого ряда факторов. Высокая вязкость ряда алюминиевых сплавов интенсифицирует налипание частиц на рабочие поверхности режущего инструмента. Это затрудняет стружкоотвод, может вызвать пакетирование стружки в канавках инструмента и образование задиров на обработанной поверхности. При нагревании алюминий сильно расширяется (в 2 раза больше, чем сталь). Это препятствует достижению высокой точности обработки, например, при развертывании.

Уровень сил резания при обработке алюминиевых сплавов в 2…4 раза ниже, чем при обработке конструкционных сталей. Характер влияния элементов режима резания и переднего угла на силу резания такой же, как при обработке сталей. Алюминиевые сплавы склонны к наростообразованию. Этот процесс протекает чрезвычайно активно в связи с повышенной адгезионной активностью алю-

326

миния к материалам, используемым в качестве инструментальных. Поэтому максимальная высота нароста и его исчезновение отмечаются для алюминиевых сплавов при относительно более низких скоростях резания, чем для сталей.

Между уровнем сил резания и механическими свойствами алюминиевых сплавов нет отчетливой зависимости. Очевидно, последние оказывают сложное совокупное влияние на сопротивление металла пластическому деформированию при образовании стружки и на ее трение о переднюю поверхность инструмента. В целом при повышении прочности сплавов уровень сил резания увеличивается. Связь между силами резания и характером микроструктуры алюминиевых сплавов следующая: сила резания выше при обработке сплавов с равномерной структурой, когда содержание твердого раствора кремния в алюминии преобладает над содержанием эвтектики; если частицы эвтектики имеют более грубую пластинчатую форму, силы резания меньше.

Уровень допустимых скоростей резания, обеспечивающих низкую шероховатость обработанной поверхности и нормативные периоды стойкости, при обработке алюминиевых сплавов в несколько раз выше, чем при обработке сталей.

Обрабатываемость алюминиевых сплавов можно значительно улучшить за счет применения оптимальных геометрических и конструктивных параметров инструментов, тщательной доводки их режущих кромок и правильного выбора технологической среды. Необходимо конструктивно обеспечивать свободное размещение стружки

в канавках инструмента. Они должны иметь гладкие поверхности

сплавными переходами, что уменьшает возможность налипания на них стружки. Передние углы инструмента рекомендуются для сплавов первой группы 25...40°; для второй – 10...25°; для третьей –

10…15°.

Использование технологических сред наиболее эффективно при чистовой обработке, когда лимитирующим показателем обрабатываемости является шероховатость обработанной поверхности. Выше отмечалось, что резание алюминиевых сплавов сопровождается интен-

327

сивным наростообразованием. Поэтому для снижения шероховатости необходимо работать вне зоны нароста либо применять эффективные СОТС. Однако многие операции на современном оборудовании невозможно выполнять на режимах, исключающих наростообразование. Используемые на производстве СОТС на базе керосина или присадок с хлором, фосфором и другими элементами не всегда удовлетворяют санитарно-гигиеническим и противопожарным нормам.

При использовании эмульсий высокие требования к качеству обработанной поверхности не обеспечиваются. При ужесточении таких требований рекомендуется применять масляные СОЖ. В них можно добавлять специальные присадки, способствующие уменьшению трения и массопереноса за счет создания алюминийорганических и высокомолекулярных соединений на площадках контакта.

Обрабатываемость медных сплавов. Медь и ее сплавы нахо-

дят широкое применение в современном машиностроении в качестве конструкционных, антифрикционных, электротехнических и других материалов.

С точки зрения обрабатываемости медные сплавы можно разбить на три группы: 1) сплавы с гомогенной структурой: латуни Л60, Л63, бронзы БрО4Ц3, БрКН1-3, БрА7 и др. К этой группе относится также медь; 2) сплавы с гетерогенной структурой типа ЛМц52-2,

ЛЦ16К4, ЛЦ30А3, ЛЦ23А6Ж3Мц2, БрO10Ф1, БрА9Мц2Л,

БрАЮЖ3Мц2 и др.; 3) сплавы, содержащие свинец, – ЛС63-3, ЛЦ40С, БрО4Ц4С17, БрО5Ц5С5, БрС30 и др.

При обработке сплавов первой группы и красной меди образуется сливная вязкая и трудноломающаяся стружка. Это ухудшает условия работы при использовании автоматизированного оборудования и обработке отверстий (из-за пакетирования стружки в канавках инструмента). Сплавы второй группы также образуют сливную стружку, однако она менее прочная и значительно легче ломается. При резании свинцовистых сплавов образуется короткая хрупкая стружка, а в случае высокого содержания свинца – стружка надлома почти в виде пыли.

328

Процесс образования стружки при резании медных сплавов в ряде случаев сопровождается ее интенсивными пластическими деформациями. В частности, толщина стружки может превысить толщину среза в 10 и более раз. Коэффициенты Kа, Kl зависят главным образом от структуры сплава. Наибольшие их значения характерны для гомогенных структур, наименьшие – для высокосвинцовистых и гетерогенных сплавов высокой твердости.

При обработке медных сплавов в практически используемом диапазоне скоростей отсутствует нарост. Поэтому зависимости Kl = f(V), Рz = f(V) имеют монотонный характер, характерный для материалов, не склонных к наростообразованию. Уровень сил резания зависит от структуры и механических характеристик сплава. Так, при точении гомогенных сплавов и меди сила Рz может быть выше, чем при обработке конструкционных сталей, а для высокосвинцовистых гетерогенных сплавов – уменьшится примерно в 10 раз.

Обрабатываемость медных сплавов определяется температурой

взоне резания и истирающей способностью сплава:

1)присадка к меди любого элемента, образующего с ней твер-

дый раствор (олова, алюминия, кремния), уменьшает VT в 3…4 раза вследствие резкого снижения теплопроводности материала и увеличения температуры резания в 1,6…2 раза;

2)присадка к медному сплаву никеля, который полностью растворяется в меди и не создает новой фазы, слабо влияет на VT;

3)переход от гомогенных структур к гетерогенным приводит

кпонижению VT почти вдвое за счет истирающего действия твердых частиц эвтектоида; температура резания при этом изменяется незначительно;

4)создание новых фаз в гетерогенных сплавах практически не влияет на обрабатываемость; исключение составляют добавки свинца, которые за счет снижения истирающей способности материала

иснижения температур резания в 1,4…2 раза способствуют значи-

тельному возрастанию VT.

Приведенные закономерности позволяют определенным образом расположить медные сплавы по их обрабатываемости (табл. 22).

329

При обработке медных сплавов с Kм = 1 VT в 2…3 раза выше, чем при обработке чугунов и сталей. Обрабатываемость медных сплавов резко ухудшается при наличии в них шлаковых включений, а также микротрещин и других дефектов отливки.

Шероховатость поверхности при обработке медных сплавов не зависит от скорости резания. Причиной является тот факт, что физические факторы резания (нарост, температура, процесс стружкообразования) влияют на формирование поверхностного слоя значительно меньше, чем подача и геометрические факторы (углы в плане, радиус вершины и т.д.).

В качестве технологических сред при обработке меди и ее сплавов рекомендуется использовать жидкости на водной основе Аквол-12 (1,5...3%-ю), Укринол-1 (3... 10%-ю), НГЛ-205(5%-ю) или масла В-31, МР-2у, МР-8, индустриальное ИС-12. Хорошо зарекомендовали себя среды с присадками на базе серы, хлора, фосфора, являющиеся сильными окислителями.

Обрабатываемость жаропрочных, нержавеющих сталей и сплавов. По своим физико-механическим свойствам жаропрочные,

330