13.3.2. Резание с нагревом заготовки

Одним из средств улучшения обрабатываемости резанием является искусственный подогрев материала срезаемого слоя заготовки до определенной температуры, так называемое терморезание. Этот метод обработки эффективен прежде всего для обработки сталей и сплавов высокой прочности, тугоплавких материалов, а также нержавеющих и жаропрочных материалов.

Способы нагрева заготовок можно разделить на две группы: способ сплошного нагрева и способ локального нагрева. Сплошной нагрев материала заготовки осуществляют в печах; его недостатками являются необходимость установки печей в механических цехах, применение средств защиты станков от теплового воздействия, трудности, связанные с перемещением и закреплением заготовок. Поэтому наиболее целесообразным является использование тепла предыдущей заготовительной операции (отливки, штамповки, прокатки).

К способам локального нагрева заготовки относятся индуктивный, электродуговой, электроконтактный. Наиболее распространен способ индуктивного нагрева токами повышенной и высокой частот. Электродуговой нагрев обеспечивает высокую температуру и локализацию нагрева, однако широкого промышленного применения не получил. Электроконтактный нагрев осуществляют введением электрического тока через инструмент или установкой специальных стержневых или вращающихся электродов. Применяют плазменный, или лучевой нагрев, а также способ локального нагрева в электролите (рис. 13.3). В этом случае через электролит (25-%-й водный раствор К₂СО₃), поступающий через специальную трубку, пропускают электрический ток повышенного напряжения (более 140 В). Установка монтируется на суппорте станка и перемещается вместе с ним, безопасность эксплуатации обеспечивается предохранительным щитом. Последний способ обладает рядом достоинств: независимость степени нагрева от магнитных свойств материала заготовки, возможность нагрева заготовок с черной и неровной поверхностью, обеспечение защиты от воздействия внешней среды. Безокислительность нагрева обусловлена образованием в зоне смачивания сплошной газовой оболочки, состоящей из водорода и положительных ионов металлов, входящих в состав электролита. Электрические разряды, наблюдаемые в оболочке, происходят по отдельным ярко светящимся каналам различной формы. Эти электронные и ионные лавины повышают давление и температуру (3500 °С).

Подвод электролита

Отвод электролита

D_r

Рис. 13.3. Схема установки

для локального нагрева заготовки

Предварительный нагрев плазменной горелкой, устанавливаемой в резцедержателе токарного станка, успешно применяется для обработки крупногабаритных деталей из высокопрочных материалов. Обработка производится на глубинах резания до 5 мм и подачах до 0,5 мм/об. Применение нагрева при резании ограничивается интенсификацией износа рабочих граней инструментов. Поэтому введение предварительного нагрева улучшает обрабатываемость в тех случаях резания, когда увеличение стойкости инструмента вследствие снижения удельной работы резания больше, чем отрицательное воздействие повышенных температур на увеличение интенсивности явлений схватывания и износа инструмента.

Применение предварительного нагрева повышает стойкость инструмента в том случае, если при его использовании в процессе резания увеличивается разница твердости обрабатываемого материала и контактной твердости инструмента, т.е. разупрочнение обрабатываемого материала превалирует над разупрочнением рабочих поверхностей инструмента. При работе быстрорежущим инструментом эта разница обычно уменьшается, поэтому резание с нагревом в этом случае не применяют. При работе инструментом, оснащенным твердым сплавом, она увеличивается; при этом степень увеличения для закаленных сталей больше, чем для отож-женных. Этим объясняется рентабельность применения резания с предварительным подогревом для твердых закаленных сталей, поскольку интенсивность адгезионного износа 1 (рис. 13.4) снижается с ростом температуры.

Рис. 13.4. Зависимость износа и стойкости

инструмента от температуры нагрева заготовки

Напротив, интенсивность диффузионного износа Т непрерывно растет с увеличением температуры нагрева. Минимум кривой суммарного износа 2 определяет величину оптимальной температуры нагрева, т.е. максимальную стойкость инструмента 3.

Температура _к контактных слоев инструментального и обрабатываемого материалов при резании с нагревом складывается из температуры _н, обусловленной предварительным нагревом, и приращения температуры ∆_р, обусловленной тепловыделением в процессе резания:

_к = _н + ∆_р.

Оптимальную температуру контактных слоев можно получить и при обычном резании без подогрева путем рационального выбора режимов обработки (_н = 20 °С; ∆_р  _к). Однако стойкость инструмента в этом случае может получиться значительно ниже. Это обусловлено тем, что при оптимальных условиях предварительный подогрев материала срезаемого слоя обусловливает его значительно большее разупрочнение и на большую глубину. В результате уменьшаются силы резания и контактные усилия трения, что ведет к снижению тепловыделения, обусловленного процессом резания, так как приращение температуры эквивалентно работе, совершенной инструментом. Таким образом, предварительный нагрев, с одной стороны, повышает температуру в зоне резания, а с другой, снижая интенсивность тепловыделения, оказывает на температуру резания косвенное влияние, уменьшая ее. Поэтому величина температуры резания складывается из сумм этих противоположно направленных воздействий, причем она может быть ниже, чем при обычном резании без подогрева.

При выборе температуры нагрева не следует достигать температур, вызывающих структурные изменения в материале. Исходя из этого, во всех случаях температурный интервал при резании с нагревом принимают на 35…40 С ниже температурного интервала для отжига и старения; во избежание структурных превращений обработку с нагревом следует выполнять преимущественно до термообработки.

Создание качественно новых способов обработки резанием с целью улучшения обрабатываемости материалов, особенно труднообрабатываемых, ведется в направлении изменения характера приложения механического воздействия на срезаемый слой, использования химических, электрических и тепловых видов воздействия, а также применения комбинированных методов обработки, основанных на совмещении механического, теплового, химического и электрического воздействий (резание с опережающим пластическим деформированием, обработка резанием с вибрациями, сверхскоростное резание и др.).

Ключевые слова и понятия

Обрабатываемость материалов, эмульсии, показатели обрабатываемости, масла, коэффициент обрабатываемости, газообразные СОТС, методы повышения обрабатываемости, твердые СОТС, функциональные свойства СОТС, способы применения СОТС, смазочное действие СОТС, полив СОТС, моющее действие СОТС, распыление СОТС, технологические свойства СОТС, сплошной нагрев, составы СОТС, электроконтактный нагрев, водные растворы.

Контрольные вопросы

1. Назовите показатели обрабатываемости материалов на черновых и чистовых операциях.

2. Для каких целей производится определение обрабатываемости материала?

3. Что такое коэффициент обрабатываемости? Каков принцип разбивки материалов на группы по обрабатываемости?

4. Охарактеризуйте обрабатываемость различных материалов: конструкционных и инструментальных сталей, чугунов, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов.

5. Охарактеризуйте основные пути и способы улучшения обрабатываемости материалов.

6. Каковы основные функциональные и технологические функции СОТС?

7. Назовите основные составы и способы применения СОТС при резании материалов.

75