книги из ГПНТБ / Вульф А.М. Резание металлов

К первой группе можно отнести охлаждающие газы, обладаю­ щие способностью не только отнимать тепло при снижении давле­

тов и эмульсии. Во избежание ржавления обрабатываемых изде­ лий, станка и инструмента в воде растворяют 5—10% кальцини­ рованной соды, хотя последняя действует неблагоприятно на окраску, шпаклевку станка и смазку подшипников. Некоторые окисные добавки к воде, например мыло, эмульсии различных масел, повышают смазывающие способности воды, что облегчает процесс резания.

Особенно широко применяются эмульсии типа масло —вода. Для устойчивости этих эмульсий со значительным содержанием масла вводится эмульгатор в виде различного рода мыл. Эмуль­ сия представляет собой двухфазную дисперсную систему, состоя­ щую из двух жидкостей, из которых одна распределена в среде другой в виде мелких капель, принимающих под действием поверх­ ностного натяжения сферическую форму. Для устойчивости та­ кой системы необходимо, чтобы жидкости не обладали способ­

обладают большим сродством с металлом (смачиваемостью) и, следовательно, способностью уменьшать трение. Здесь также весьма эффективны добавки поверхностно-активных веществ, на­ пример жирных кислот, металлических мыл и других органиче­ ских веществ, содержащих серу, фосфор, хлор и др.

Минеральные масла хуже охлаждают обрабатываемую поверх­ ность и инструмент, чем вода, но лучше их смачивают, так как

ношении их «режущих» способностей. Их применение дает возмож­ ность снизить мощность, потребляемую в процессе резания, и

30

увеличить стойкость инструмента в большей степени, чем это достигается с помощью обычных (неосерненных) жидкостей. В настоящее время применяются различные марки осерненных

Их недостатком является способность сгущаться при продолжи­ тельном употреблении, при этом они отвердевают и выделяют жирные кислоты, разъедающие сталь и медь. Растительные масла должны быть хорошо очищены и не должны содержать смолис­ тых кислых и основных ключений. Они обладают большей, сравни­ тельно с минеральным маслом, смачивающей способностью и боль- - шей маслянистостью. Последнее объясняется присутствием в ра­ стительном масле поверхностно-активных веществ, молекулы которых содержат резко полярные группы, т. е. группы, имею­ щие большое сродство с веществом одной из граничных фаз. Подобные молекулы создают прочную адсорбционную пленку на поверхности металла, облегчающую трение.

А д с о р б ц и я — самопроизвольно протекающий диффузи­ онный процесс поглощения газа, жидкости или растворенного вещества (адсорбата) поверхностью твердого тела. У молекул расположенных на поверхности твердого тела, межмолекулярные силы не компенсированы со стороны газообразной или жидкой среды, в результате чего происходит притяжение молекул адсор­ бируемого вещества. Различают физическую и химическую ад­ сорбцию (хемосорбция). Физическая адсорбция происходит под влиянием сил Ван-дер-Ваальса и не сопровождается химическим взаимодействием — связи менее прочные. Это процесс обратимый (десорбция) в отличие от а б с о р б ц и и , где имеет место диф­ фузия поглощенного вещества вглубь поглотителя с образованием раствора.

К растительным маслам, употребляемым при чистовом реза­ нии металлов, относятся:

1) сурепное масло, добываемое из семян сурепицы; суррогат сурепного масла представляет смесь технического неочищенного сурепного масла с очищенным минеральным маслом;

2)льняное масло;

3)касторовое масло (вследствие высокой вязкости применяется обычно в смеси с другими маслами).

Поверхность твердого тела покрыта адсорбционным слоем газообразного, жидкого или твердого вещества, заметно влияю­ щего на процесс трения. Хорошо очищенные поверхности метал­ лов, лишенные этого слоя, с большим трудом перемещаются относительно друг друга и при соответствующем давлении могут даже срастись.

Продолговатые молекулы смазывающих веществ и особенно молекулы с сильно полярными концами (у жирных масел) прочно

31

прикрепляются этими концами к металлической поверхности, образуя весьма устойчивый слой смазочной пленки. При взаим­ ном перемещении смазанных металлических поверхностей контакт происходит между этими слоями, в результате чего снижается трение. Стабильная масляная пленка получается лишь при нали­ чии активных молекул, обладающих сильным сродством с метал­ лами. Опыт показывает, например, что пленка из чистого мине­

шие микроскопические трещины и помогать при этом дисперги­ рованию — разрушению срезаемого слоя металла. Согласно П. А. Ребиндеру удлиненные молекулы поверхностно-активных веществ, проникая в трещины, ориентируются полярными кон­

эффект. Одновременно смазывающая жидкость помогает внутрикристаллическому скольжению частиц металла, облегчая процесс пластической деформации. Последнее подтвердилось опытами П. А. Ребиндера, когда при весьма малых добавках поверхностноактивных веществ к смазывающей жидкости заметно изменялся вид срезаемой стружки. Элементная стружка скалывания превраща­ лась в сливную в виде сплошной ленты.

Адсорбирующие примеси в смазке тем успешнее облегчают деформацию тела, чем в большей степени преобладают растяги­ вающие напряжения в этом теле. Таким образом, активные до­ бавки, облегчая процесс резания, не разрушают режущую кромку инструмента, так как она подвергается в основном сжимающим напряжением.

Замечено значительное влияние температуры на результа­ тивность поверхностно-активных веществ. Так, при ультразвуко­ вой обработке [50 ] при изменении температуры в пределах 7—77°С повышение производительности процесса колебалось от 2 до 7 раз при использовании олеиновой кислоты. Или, наоборот, в ре­ зультате окисления при 400° С на воздухе или при -~500° С в ар­ гоне пропадала эффективность известной твердой смазки дисуль­ фида молибдена (MoS2 ). Снижение активности поверхностно-ак­ тивных добавок иногда вызывается экранирующим действием

Обращается внимание на улучшение санитарно-гигиенических условий труда при использовании СОС, необходимость воздержи­

32

В связи с более широким использованием трудно обрабатывае­ мых материалов и повышенными требованиями к смазывающим, охлаждающим, моющим и другим технологическим свойствам СОС, обеспечивающим производительность процесса резания, качество обработки, безопасность и гигиенические требования, создается новая группа сложных синтетических СОС. Чтобы удо­ влетворить конкретным условиям производства, различные син­ тетические СОС в своем составе содержат 8—12 компонентов-при­ садок (антифрикционных, антикоррозионных, окислительных и противоокислительных, бактерицидных, моющих и др.).

Теоретические исследования В. Н. Латышева [103] показали, что в процессе резания смазочное химическое действие произво­ дят не исходные компоненты среды, а продукты их распада — атомы и радикалы. Как уже было отмечено, ювенильные поверх­ ности в зоне резания отличаются большой химической реактив­ ностью: происходит эмиссия электронов с ювенильных поверх­ ностей. Так, при взаимодействии последних с молекулой воды (основы большинства СОС) происходит реакция образования сильнейшего окислителя —• перекиси водорода. Это позволило обосновать применение при резании металлов СОС с сильными окисляющими свойствами 1КМп04 , Н 2 0 2 ( С 6 Н 5 / С 0 2 ) 2 0 2 ] озони­ рованной воды с присадками ингибиторов коррозии. Установлена корреляционная связь между строением кислородсодержащих молекул СОС и стойкостью резцов: чем легче выделяется атомар­ ный кислород, тем меньше износ режущего инструмента. Это видно из следующих данных:

Высокая эффективность кислородсодержащих СОС объясняется их способностью к образованию на инструменте защитных окисных пленок. Толщина пленок в зависимости от обрабатываемого ме­ талла составляет 40—1000 А.

Так были синтезированы:

Г л а в а I I

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

9. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Производительность всякого режущего инструмента в основ­ ном определяется его материалом, способностью сохранять про­ должительное время свои режущие свойства. Последние могут быть потеряны не только под влиянием высокой температуры, развивающейся в процессе резания и вызывающей потерю рез­ цом необходимой твердости, но и таких явлений, как адге­ зия (схватывание трущихся поверхностей), диффузия (взаимное растворение материала трущихся тел) и абразивно-механическое истирание режущей кромки и поверхностей резца.

Способность инструмента сопротивляться указанным явлениям называется стойкостью; она измеряется временем, в течение которого сохраняются режущие свойства инструмента при опре­ деленных условиях работы. Следовательно, инструментальные материалы должны иметь такие важные для режущего инструмента свойства, как красностойкость, теплопроводность, износоупорность, достаточно высокие сопротивления изгибу и удару, а также твердость. Во избежание преждевременного выкрашивания режу­ щей кромки необходимо, чтобы инструментальный материал обладал также и достаточной вязкостью.

В табл. 2 приводятся сравнительные данные о физико-механи­ ческих свойствах различных инструментальных материалов, при­ меняемых в настоящее время. Как видно из таблицы, твердые сплавы более теплостойки, чем быстрорежущие стали, а минералокерамика превосходит твердые сплавы по твердости и теплостой­ кости, но значительно уступает им в отношении теплопровод­ ности и прочности. Минимальное температурное удлинение и наи­ большая твердость и теплопроводность алмаза, а также эльбора (КНБ) делают их лучшими инструментальными материалами для тонкого и точного точения. Однако хрупкость и малая проч­ ность, адгезионная склонность алмаза к железным сплавам огра­ ничивают применение в качестве лезвийного инструмента, по­ этому алмазы используют лишь для обработки цветных металлов, пластмасс и других малопрочных материалов. Алмазы и эльбор (боразон) — превосходны для абразивного инструмента.

Весьма важной характеристикой хрупких по природе инстру­ ментальных материалов является сопротивление тепловому удару,

1 В о с т а л ь н ы х с л у ч а я х в е з д е HRA.

т. е. максимальному перепаду температуры, при котором мате­ риал сохраняет свою целостность. Эта характеристика выра­ жается условным коэффициентом, рассчитанным по формуле

Согласно формуле (4) и данным табл. 2, можно утверждать, что сопротивление тепловому удару минералокерамического ин­ струмента в несколько раз меньше, чем твердосплавного, и в де­

инструмента ввиду ее недостаточной красностойкости (~270° С). Из нее изготовляют инструменты небольших размеров, работаю­ щие при низкой скорости резания. Характерной особенностью углеродистой стали является ее неглубокая прокаливаемость, это свойство особенно ценно для инструментов, работающих на удар. После закалки (при 750—840° С) и отпуска (~200° С) инструменты из углеродистой стали хорошо шлифуются и доводятся, что обес­ печивает высокие остроту и чистоту режущей кромки, и поэтому они могут быть успешно применены там, где необходимо полу­ чить высокое качество обработанной поверхности при малых скоростях резания. Использование углеродистой стали для режу­

2)вольфрам, способствующий повышению красностойкости и износоустойчивости стали;

3)ванадий, создающий наиболее стойкие и твердые карбиды;

он благоприятствует получению мелкозернистой структуры.

В табл. 3 показан состав наиболее удачных марок легирован­ ной инструментальной стали. Указанные стали отличаются не столько эксплуатационными, сколько технологическими свой­ ствами, например склонностью к обезуглероживанию, карбидной ликвации, деформации при закалке, количеством остаточного аустенита. Сталь каждой марки имеет свои преимущества и не­ достатки. Так, основная марка стали для режущего инструмента —• сталь 9ХС обладает повышенной склонностью к обезуглерожива­ нию и значительной твердостью в отоженном состоянии, что

37

карбидную ликвацию. В этом отношении более благоприятна сталь 95ХГСВФ.

Стали Х12, Х12Ф1 характеризуются высокой твердостью, износоустойчивостью и красностойкостью и потому успешно используются для штампов и резьбонакатных роликов. Дл я повы­ шения прочности режущей кромки приходится прибегать к спе­ циальной технологии ковки, чтобы избежать карбидной неодно­

используемые для режущего инструмента, имеют состав, приве­ денный в табл. 4.

Марки сталей Р9 и Р18 имеют почти одинаковые высокие красностойкость 600—650° С и твердость (до HRC 64), хотя по содержанию вольфрама они значительно различаются. Это объяс­ няется тем, что красностойкость создается растворением ограни­ ченного количества карбидов легирующих элементов (Fe3 W3 C или Fe3 Mo3 C). Карбиды титана, ниобия, тантала, частично ва­ надия и др. настолько устойчивы, что они при нагреве не раство­ ряются в аустените и поэтому также не способствуют красностой­ кости,

38

карбидов и благодаря этому обладают большей «холодной» изно­ соустойчивостью, что делает ее более эффективной для инструмен­

фаза хорошо раздроблена предварительной ковкой. Иначе сталь Р9, имеющая мелкозернистость, будет прочнее, к тому же она легче деформируется в горячем состоянии, что весьма важно при изготовлении режущего инструмента прокаткой, например сверл. Сталь Р9, содержащую твердые карбиды ванадия, труднее шлифовать и потому при форсированной заточке инструмент из этой стали легче испортить. Широкому распространению стали Р9 способствуют также и то, что она (в 2 раза дешевле по сравнению со сталью Р18).

Для обработки высокопрочных нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов в машиностроении все более широко применяются новые марки быстрорежущих сталей повышенной производитель­ ности. Они отличаются более высокими режущими свойствами по сравнению с обычными сталями Р18 и Р9 благодаря повышенной легированное™. Химический состав их дан в табл. 5.

Теплостойкость быстрорежущей стали увеличивается с по­ вышением содержания кобальта. Одновременно увеличивается и твердость после отпуска (до HRC 65—66 в стали с 5% Со и до HRC 67—68 в стали с 10% Со против HRC 63—64 для сталей Р9 и Р18). Однако при этом заметно уменьшается прочность при изгибе (аи = 160-V-220 кгс/мм2 ) по сравнению с а и = 315-^340 кгс/мм2 для стали Р18 без кобальта. Кроме того, кобальтовые стали имеют повышенную чувствительность к обезуглероживанию, что проис­ ходит при нагреве для отжига и под закалку. Указанные недо­ статки приводят к выкрашиванию режущих кромок инструмента, если не обеспечены условия спокойной работы его без ударов и

39