Обработка резанием труднообрабатываемых материалов с нагревом

В разделе освещены вопросы обработки резанием труднообрабатываемых материалов с нагревом. Показаны методы интенсификации процесса резания с нагревом, приведены оптимальные условия резания для обеспечения высокой стойкости инструмента. Даны рекомендации по улучшению обрабатываемости высокопрочных, жаропрочных и других материалов при резании с нагревом. В разделе обобщен опыт отечественных специалистов.

Раздел предназначена для инженерно-технических работников.

Технический прогресс в машиностроении потребовал применения новых конструкционных материалов, обладающих повышенными прочностными характеристиками или особыми физическими свойствами, например, жаропрочных, нержавеющих, метастабильных аустенитных упрочняющихся сталей и сплавов, высокопрочных чугунов и др.

Использование этих материалов для изготовления деталей машин значительно повышает их надежность и долговечность, но, как правило, снижает технологичность при обработке резанием. Если оценивать обрабатываемость резанием по уровню скоростей резания при заданной стойкости инструмента, то для большинства труднообрабатываемых сталей и сплавов она снижается в 2—20 раз по сравнению с обычными конструкционными сталями. Так, например, если принять скорость резания для стали 45 за единицу, то для нержавеющей стали 12Х18Н9Т она составит 0,5, для жаропрочной стали 4Х12Н8Г8МФБ— 0,3, для марганцевой стали Г13Л— 0,1, а для некоторых жаропрочных сплавов — 0,012.

Обрабатываемость резанием труднообрабатываемых сталей и сплавов зависит прежде всего от их химического состава, который в сочетании с термообработкой определяет эксплуатационные характеристики этих материалов: жаропрочность, коррозионную стойкость, механическую прочность, износостойкость и т. д. Высокая степень легирования сталей и сплавов оказывает большое влияние на их обрабатываемость ввиду образования на основе легирующих элементов дисперсных фаз, упрочняющих твердый раствор сплава, или таких весьма твердых составляющих структуры, как карбиды, нитриды, интерметаллидные соединения, которые интенсивно изнашивают режущие инструменты.

Большое влияние на обрабатываемость оказывает способность сохранять исходную твердость и прочность при высоких температурах. Интенсивность износа режущего инструмента существенно зависит от соотношений «горячих твердостей» и прочностей материала инструмента и заготовки.

Наиболее труднообрабатываемые жаропрочные сплавы и стали незначительно снижают твердость и прочность с увеличением температуры нагрева.

Упрочнение некоторых сталей в процессе резания затрудняет их обрабатываемость. Так, у сталей аустенитного класса (например, стали Г13Л) твердость в результате упрочнения увеличивается в 3—4 раза. Причиной трудной обрабатываемости многих материалов при резании является их низкая теплопроводность. Теплопроводность титановых сплавов, например, в 6—8 раз ниже, чем конструкционных сталей, а температура резания, при прочих равных условиях, соответственно в 2—2,5 раза выше.

Теория и практика резания металлов располагают большим арсеналом средств улучшения обрабатываемости. Это прежде всего термообработка, позволяющая перед резанием изменить структурное и фазовое состояния обрабатываемого материала, определяющие способность его истирать режущий инструмент и способность его к пластической деформации, т. е. к упрочнению.

Большой эффект в улучшении обрабатываемости достигается путем микролегирования материала заготовки редкоземельными элементами: селеном, теллуром, а также свинцом и медью.

Широко известны такие методы улучшения обрабатываемости, как определение оптимальной марки материала инструмента и его геометрии, подбор* сочетания параметров режима резания, применение, эффективных СОЖ и способов подвода их в зону резания.

Улучшение обрабатываемости резанием высокопрочных сталей и сплавов; достигается с дополнительным или предварительным нагревами заготовки или участка ее, подлежащего удалению.

Использование нагрева основано на снижении механических свойств обрабатываемого материала, определяющих его способность сопротивляться пластическим деформациям при сохранении режущих способностей инструмента, поэтому резание с нагревом предполагает прежде всего применение твердосплавного инструмента.

Увеличение температуры на контактной поверхности снижает удельную работу резания. При обработке нержавеющей стали (до 17% молибдена) с нагревом напряжения в плоскости сдвига снизились на 40—50%. работа на образование стружки при этом уменьшилась на 30—40%.

Опыт передовых предприятий в нашей стране показал, что за счет нагрева достигается значительное увеличение стойкости режущих инструментов, улучшение качества обработанной поверхности, снижение величин сил резания. Так, при обработке стержней из материала на основе вольфрама с нагревом до 400° С в трубчатой печи, которая перемещалась относительно стержня впереди резца, стойкость инструмента увеличилась в 4—6 раз, твердость обрабатываемого материала уменьшилась с 400 до 180, предел прочности понизился с 95-И 00 до 72-J-78 кгс/мм², относительное удлинение увеличилось от 0 до 6—7%.

При обработке закаленных быстрорежущих сталей с твердостью HRC60 при скорости резания с = 15 м/мин резец мгновенно изнашивался, а при нагреве работал 25 мин.

При обработке сплава с твердостью НВ 600 при а=150 м/мин, исходная стойкость резца составляла 30 с, с нагревом до 250°С — 11 мин, до 350°С — 15 мин, до 430°С—20 мин, т. е. стойкость резца увеличилась в 40 раз. Повышение стойкости инструмента почти в 15—20 раз было достигнуто при резании с нагревом до 400—500°С штамповой стали как при точении, так и при фрезеровании.

В металлургическом производстве операция огневой зачистки проката газовым пламенем требует больших затрат и нежелательна с точки зрения охраны труда. Многие металлургические заводы заменили огневую зачистку фрезерованием нагретых заготовок в линии прокатки.

В качестве предварительного нагрева широко используют нагрев, полученный при предыдущих технологических операциях: прокатке, отливке, наплавке. Для дополнительного нагрева используют электроконтактные, индукционные, газовые, плазменные установки.

В технической литературе результаты исследований особенностей процессов резания с нагревом, определения оптимальных параметров средств нагрева, режимов резания и геометрии инструмента освещены весьма скупо. Недостаточно освещен и опыт практики резания с нагревом в производственных условиях.

В предлагаемой книге на примерах обработки разных материалов с использованием различных средств нагрева делается попытка, хотя бы частично, осветить физические основы резания металлов с нагревом и результаты применения его в производстве.