Резание материалов

жаростойкие и нержавеющие стали и сплавы имеют много общего, что обусловливает их технологические качества. В зависимости от химического состава и с целью обеспечения удовлетворительной обрабатываемости резанием труднообрабатываемые стали и сплавы имеют различную структуру: ферритную, мартенситно-ферритную, аустенитную и аустенитно-мартенситную. В связи с этим стали подразделяются на классы (табл. 23). Например, жаропрочные и жаростойкие стали чаще всего относятся к аустенитному классу. Структура таких сталей представляет собой твердый раствор аустенита с гранецентрированной кристаллической решеткой. Кроме того, большая часть деформируемых жаропрочных сплавов относится к типу дисперсионно-твердеющих. Высокая дисперсность структуры повышает сопротивление ползучести сплавов и препятствует возникновению и развитию процессов скольжения.

Таблица 23

Классификация труднообрабатываемых сталей и сплавов по их обрабатываемости резанием

Продолжение табл. 23

Продолжение табл. 23

Окончание табл. 23

* По сравнению со сталью 45. Если за эталон принять сталь Х18Н9Т (III группа), Kм следует увеличить вдвое.

Худшая обрабатываемость жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов по сравнению со сталью 45 определяется их физико-меха- ническими характеристиками, химическими свойствами, структурой, теплофизическими показателями. Рассмотрим некоторые свойства жаропрочных и нержавеющих материалов, затрудняющие их механическую обработку.

К таким свойствам относятся следующие.

1. Высокое упрочнение материала в процессе его деформирования резанием. Жаропрочные и нержавеющие стали чаще всего относятся к сталям аустенитного класса, имеющим кристаллиты с гранецентрированной кристаллической решеткой. Поэтому сплавы аустенитного класса характеризуются низким пределом текучести при том же временном сопротивлении, т.е. они весьма пластичны. Чем более пластичен материал, тем большие работу и силы резания надо затратить на снятие одного и того же объема такого материала.

Исследования микротвердости корней стружки показали, что при точении стали Х18Н10Т она примерно в два раза больше, чем у недеформированного металла; относительное упрочнение для сплавов IV и V групп составляет 50...60 %, что значительно меньше, чем при обработке конструкционных материалов.

334

2. Жаропрочные и нержавеющие стали и сплавы имеют низкую теплопроводность по сравнению с конструкционными материалами (табл. 24). При их обработке выделяется значительное количество теплоты, резко возрастает уровень температур в зоне резания. Это способствует активизации адгезионных и диффузионных процессов, интенсифицирует изнашивание рабочих поверхностей инструментов, снижает уровень VT. Как следствие, использование твердых сплавов

в качестве инструментального материала не всегда возможно, а применение быстрорежущих инструментов оправдано лишь при малых скоростях резания. При увеличении скорости температура резания превышает предел теплостойкости инструментального материала и инструмент быстро выходит из строя. Повышению производительности обработки указанных материалов и уровня стойкости инструмента способствует применение соответствующе подобранных СОЖ.

3. Способность рассматриваемых материалов сохранять исходную прочность и твердость при повышенных температурах приводит к тому, что в процессе резания инструмент испытывает высокие удельные нагрузки. Весьма слабое разупрочнение жаропрочных и нержавеющих материалов при нагреве до высоких температур приводит к тому, что на передней поверхности режущего инструмента

335

действуют высокие удельные нагрузки (до 5000...9000 МПа), соответствующие нагрузкам, возникающим при обработке закаленных конструкционных сталей с 61...65 HRC. Этому обстоятельству способствуют значительно более высокие по сравнению с конструкционными сталями коэффициенты трения на контактных площадках, обусловленные интенсивным адгезионным взаимодействием. Высокое химическое сродство обрабатываемого и инструментального материалов вызывает их схватывание и даже разрушение контактных площадок. Наибольшую способность к адгезии имеют металлы, обладающие повышенной пластичностью, с атомными диаметрами, различающимися не более чем на 15...18 % (например, железо-хром, железо-медь).

4.Большая истирающая способность жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов обусловлена наличием в них, кроме фазы твердого раствора, еще и второй фазы, когда образуются интерметаллидные или карбидные включения. Последние, подобно абразиву, истирают инструмент, вызывая ускоренное изнашивание его кромок.

Впроцессе пластической деформации жаропрочных и нержавеющих материалов происходит выделение карбидов, твердость которых приближается к твердости твердых сплавов групп ВК и ТК. Вследствие этого резко возрастает истирающая способность жаропрочных

иособенно литых на никелевой основе сплавов. Им присущи значительная разнозернистость и неравномерность выделения карбидов

иинтерметаллидной фазы после их ковки, прокатки и особенно литья. Наличие таких зон приводит к резкому возрастанию сил резания

итемпературы, что в значительной степени сказывается на затуплении и разрушении режущих кромок инструмента. При обработке сплавов предъявляются особые требования к прочностным характеристикам и износостойкости режущего инструмента. Рабочие поверхности его лезвий должны быть тщательно доведены и подвергнуты специальной химической обработке с целью образования на них прочных пленок, снижающих коэффициент трения.

5.Пониженная виброустойчивость при резании нержавеющих

ижаропрочных материалов обусловлена их высокой упрочняемо-

336

стью при неравномерной пластичной деформации. Возникновение вибраций приводит к микро- и макровыкрашиванию режущих кромок инструментов. Эти явления усиливаются из-за наличия схватывания сходящей стружки с передней поверхностью.

Учитывая рассмотренные особенности, физическую сущность процесса резания нержавеющих и жаропрочных материалов можно свести к следующему: вначале инструмент врезается в неупрочненный металл и под его воздействием происходит пластическая деформация слоя металла, сопровождаемая поглощением прикладываемой извне энергии. Срезаемый слой металла при этом упрочняется и становится хрупким, а затем происходит сдвиг и образование элемента стружки. Ввиду малой теплопроводности обрабатываемого материала теплота резания концентрируется в зоне снятия стружки и способствует активизации процессов адгезии и диффузии, вызывая тем самым разрушение режущих кромок инструмента. Указанные явления наряду с повышенными абразивными и механическими свойствами нержавеющих и жаропрочных материалов при высокой температуре, а также переменное воздействие этих факторов, обусловленное вибрациями, интенсифицируют процесс изнашивания режущих инструментов.

Указанные особенности жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов резко ухудшают их обрабатываемость резанием по сравнению с обычными конструкционными сталями и чугунами. Скорость резания с повышением жаропрочности труднообрабатываемых сталей и сплавов снижается до 10…20 раз по сравнению с обработкой обычной конструкционной стали 45 (см. табл. 24). При этом в 1,5…2,5 раза возрастают силы резания, что является причиной более высоких температур в зоне резания, а также небольших периодов стойкости режущего инструмента.

При повышении уровня легирования рассматриваемых материалов их обрабатываемость резко ухудшается. Если скорость резания при обработке нержавеющей стали 20X13 твердосплавным и быстрорежущим инструментами соответственно не превышает 150 и 30 м/мин, скорость резания при обработке сплава ЖС6К на никеле-

337

вой основе твердосплавным инструментом не больше 10...20 м/мин, а быстрорежущим – 0,5...1 м/мин.

Для повышения обрабатываемости этих сплавов используется предварительная термообработка заготовок – отжиг или отпуск, в ре-

широко используются в современной технике, поскольку их высокие механические свойства и коррозионная стойкость сочетаются с малым удельным весом. Разработаны сплавы различного состава и свойства, например: технически чистый титан (ВТ1, ВТ2), сплавы систем титан–алюминий (ВТ5), титан–алюминий–марганец (ВТ4, ОТ4), титан–алюминий–хром–молибден (ВТ3) и др. По общей классификации труднообрабатываемых материалов титановые сплавы сведены в VII группу (табл. 25).

* По сравнению со сталью 45.

338

Так же, как нержавеющие и жаропрочные стали и сплавы, титановые сплавы имеют ряд особенностей, обусловливающих их низкую обрабатываемость.

1.Малая пластичность, характеризуемая высоким коэффициентом упрочнения, примерно в два раза большим, чем у жаропрочных материалов. Вместе с тем механические характеристики титановых сплавов по сравнению с жаропрочными меньше. Пониженные пластические свойства титановых сплавов в процессе их деформации способствуют развитию опережающих микро- и макротрещин.

Образуемая стружка по внешнему виду напоминает сливную, имеет трещины, разделяющие ее на очень слабо деформированные элементы, прочно связанные тонким и сильно деформированным контактным слоем. Образование такой стружки объясняется тем, что

сувеличением скорости пластическая деформация при высоких температуре и давлении протекает в основном в контактном слое, не затрагивая срезаемый слой. Поэтому при высоких скоростях резания образуется не сливная, а элементная стружка.

Углы сдвига при резании титановых сплавов достигают 38...44°; в этих условиях при скоростях резания, больших 40 м/мин, возможно

образование стружки с коэффициентом укорочения Kl < 1, т.е. стружка имеет большую длину, чем путь резания. Подобное явление объясняется высокой химической активностью титана.

Пониженная пластичность приводит к тому, что при обработке

титановых сплавов сила Рz примерно на 20 % ниже, чем при обработке сталей, а силы Ру и Рх – выше. Это различие указывает на характерную особенность титановых сплавов – силы резания на задней поверхности при их обработке относительно больше, чем при обработке сталей. Как следствие, при увеличении износа силы резания, особенно Ру, резко возрастают.

2.Высокая химическая активность к кислороду, азоту, водороду. Это вызывает интенсивное охрупчивание поверхностного слоя сплавов вследствие диффузии в него атомов газов при повышении температуры. Насыщенная атмосферными газами стружка теряет пластичность и в этом состоянии не подвергается обычной усадке.

339

Высокая активность титана по отношению к кислороду и азоту воздуха в 2…3 раза снижает площадь контакта стружки с передней поверхностью инструмента, что не наблюдается при обработке конструкционных сталей. Вместе с тем окисление контактного слоя стружки повышает ее твердость, увеличивает контактные напряжения и температуру резания, а также повышает интенсивность изнашивания инструмента.

3.Титановые сплавы имеют чрезвычайно плохую теплопроводность, более низкую, чем у жаропрочных сталей и сплавов. Как следствие, при резании титановых сплавов возникает температура, более чем в 2 раза превышающая уровень температур при обработке стали 45.

Высокая температура в зоне резания вызывает интенсивное наростообразование, схватывание обрабатываемого материала с материалом инструмента и появление задиров на обработанной поверхности.

4.Вследствие содержания в титановых сплавах нитридов и карбидов материал режущего инструмента в сильной степени подвержен абразивному воздействию. Однако при повышении температуры титановые сплавы сильнее снижают свою прочность, чем нержавеющие и жаропрочные стали и сплавы. Обработка резанием по корке многих кованых, прессованных или литых заготовок из титановых сплавов затруднена дополнительным абразивным воздействием на режущие кромки инструмента неметаллических включений, оксидов, сульфидов, силикатов и многочисленных пор, образующихся в поверхностном слое. Неоднородность структуры снижает виброустойчивость процесса обработки титановых сплавов. Эти обстоятельства,

атакже концентрация значительного количества теплоты в пределах небольшой площадки контакта на передней поверхности приводят к преобладанию хрупкого изнашивания с периодическим скалыванием по передней и задней поверхностям и выкрашиванию режущей кромки. При высоких скоростях резания интенсифицируется тепловое изнашивание, на передней поверхности резца развивается лунка. Во всех случаях, однако, лимитирующим является износ его задней поверхности.

340