Обработка резанием титановых сплавов

Кривоухов В.А. и Чубаров А.Д.

Машиностроение, 1970 г.

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Упруго-пластическое деформирование при резании металлов весьма сложно. Оно находится во взаимной связи с другими факторами и явлениями, сопутствующими процессу резания. Поэтому более полная характеристика физических основ резания титановых сплавов может быть получена лишь при комплексном исследовании тепловых явлений, деформаций поверхностных слоев, сил резания, износа режущего инструмента и качества обработанной поверхности.

ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ

Тепло, возникающее в процессе резания, оказывает влияние на состояние, слоя под обработанной поверхностью, шероховатость поверхности, точность обработки, а также на износ и стойкость режущего инструмента. Под влиянием тепла изменяются условия трения на передней и задней поверхностях инструмента, деформация срезаемого слоя, наростообразование и другие явления.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Исследованию был подвергнут высокопрочный титановый сплав отечественного производства ВТЗ-1. Химический состав, механические и теплофизи-ческие свойства заготовки этого сплава взяты в пределах, указанных в табл. 1 и 2. Выбор сплава ВТЗ-1 обусловлен тем, что он имеет (α +β)-структуру, т. е. занимает среднее положение между а- и β-сплавами, поэтому полученные при исследовании результаты являются наиболее типичными. Кроме того, сплав ВТЗ-1 получил наибольшее распространение.

Для получения сравнительных данных были исследованы также сплавы -на основе железа (ЗОХГСА) и никеля (ХН70ВМТЮ). Заготовки этих сплавов находились в состоянии поставки. Химический состав и физико-механические свойства их удовлетворяли техническим условиям.

ВТЗ-1 почти в 2 раза превышает температуру, возникающую при обработке стали 30ХГСА. Она близка к температуре, развивающейся при точении в тех же условиях жаропрочного сплава ХН70ВМТЮ, процесс резания которого характеризуется весьма напряженным тепловым режимом. Сравнение полученных результатов с данными, приведенными в работе [56], показывает, что температура при резании титанового сплава ВТЗ-1 в среднем в 2 раза выше температуры резания стали 40Х и в 3—4 раза выше температуры, возникающей при обработке алюминиевых сплавов. Это свидетельствует о том, что резание титановых сплавов характеризуется весьма высокими температурами, физическая сущность возникновения которых изложена ниже.

АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРЫ.

При резании пластичных материалов, к которым относится технический титан и его сплавы, работы упругих деформаций и диспергирования незначительны, поэтому основными источниками тепловыделения следует считать пластическую деформацию и трение.

Титановые сплавы по сравнению со сплавами на основе никеля и железа, как было показано выше,  характеризуются меньшей пластической деформацией. Подобное заключение следует также из сравнения коэффициентов усадки стружки титановых и никелевых сплавов (рис. 19). Следовательно, можно предположить, что при резании титановых сплавов выделяется меньшее количество тепла, чем при обработке сталей и сплавов на основе никеля.

Согласно приведенным данным интенсивность выделения тепла в деталь при обработке титановых сплавов ниже, чем при. обработке сплавов на основе никеля со сталью 45 выделении тепла у титанового сплава ВТ2 при точении свидетельствуют и кривые на рис. 20. Можно было ожидать, что при резании температура в деформированной зоне титановых сплавов должна быть ниже, чем у сталей. Однако рассмотренные ранее результаты экспериментального исследования температуры резания показывают обратное. Температура резания титанового сплава (см. рис. 17, б) достигает 800° С уже при υ = 40 м/мин, s = 0,17 мм/об и t — = 1,5 мм; при резании же стали 45, по данным исследования [2], аналогичная температура возникает при значительно более высоких параметрах режима резания, а именно: v= 100 м/мин, s = = 0,29 мм/об и t=2 мм.

Таким образом, высокой температуре резания титановых сплавов, значительно превосходящей температуру три аналогичной обработке сталей, соответствует сравнительно небольшое количество выделившегося тепла, меньшее, чем при резании в тех же условиях сплавов на основе железа и никеля.

ИЗНОС РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ПОЛУЧИСТОВОЙ И ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКЕ.

При чистовом и полулистовом непрерывном точении исследуемых титановых сплавов резцами, оснащенными пластинками из однокарбидного твердого сплава, процесс износа может быть представлен в следующем виде. В начальный период резания на задней поверхности резца, вдоль режущей кромки, наблюдается появление характерных штрихов износа, являющихся результатом трения между соответствующим контактным участком резца и поверхностями обрабатываемой заготовки. Износ по передней поверхности при этом представляет след сходящей стружки и имеет вид лунки, более или менее оформленной в зависимости от условий обработки (режима резания и марки твердого сплава). При дальнейшем резании происходит развитие износа как по передней, так и особенно по задней поверхности (рис. 57, д—ж; 58, д). На передней поверхности развитие износа проявляется в окончательном оформлении лунки, увеличении ее размеров, сопровождающемся устранением перемычки между лункой и режущей кромкой (рис. 57,а), в возникновении местного прорыва кромки (рис. 57,6 и г) и, наконец, в разрушении лунки, при котором по ее наружному контуру выкрашивается кромка (рис. 58,а), вследствие чего передний угол в зоне контакта оказывается отрицательным. Так как при выкрошенной режущей кромке требуемое качество обработанной поверхности и. прилегающего к ней слоя не может быть гарантировано, то при чистовой обработке деталей из титановых сплавов износ передней поверхности, определяющий необходимость переточки резцов, следует характеризовать стадией исчезновения перемычки или началом образования местного прорыва кромки. Этим этапам износа по передней поверхности, как показывают наблюдения и результаты исследования (рис. 57,6 и г), соответствует износ по задней поверхности, равный 0,3—0,4 мм. При получистовом точении, основываясь на результатах проведенных исследований остаточных напряжений первого рода и наклепа, а также исходя из требований точности и чистоты обработки, оказывается возможным допущение большего износа по передней поверхности, определяемого прорывом перемычки и наличием выкрашиваний режущей кромки в зоне контактных поверхностей. Такому затуплению соответствует износ по задней поверхности, равный 0,4—0,5 мм (рис. 58, д).

Согласно приведенным данным (рис. 59—62) износ по задней поверхности указанных резцов по мере увеличения продолжительности резания характеризуется закономерным изменением, возрастанием от узкой, не всегда четко оформленной ленточки штрихов до явно выраженной фаски износа, величина которой не превосходит указанного значения, установленного в качестве критерия затупления. Дальнейшее резание сопровождается наиболее интенсивным развитием износа. При этом происходит не только

истирание, но и выкрашивание кромки по наружному  контуру разрушенной лунки (см. рис. 58, а) —наиболее характерное для резцов, оснащенных пластинками из твердых сплавов ВКЗМ, ВК4 и ВК6М (см. рис. 58,б и в), и приводящее их к катастрофическому износу по задней поверхности в виде отслаиваний и сколов (см. рис. 58, г).

Износ резцов, оснащенных пластинками из двух- и трехкарбидных твердых сплавов, по внешнему виду (см. рис. 57, а; 58, е и ж) аналогичен износу, наблюдаемому у резцов с пластинками из сплавов ВК2, ВКЗМ, ВК4, ВК6, ВК6М, ВК8, ВК8Та, ВК12Та. Однако процесс износа у этих резцов протекает значительно интенсивнее. Это заключение следует из сравнения фотографий резцов (см. рис. 57, α, в; 58, д, е, ж) и кривых износа (см. рис. 60, а, б).

Резцы из быстрорежущей стали различных марок (Р18, Р9Ф5 и др.), подобно рассмотренным, характеризуются износом, происходящим на передней и задней поверхностях, причем преобладание износа на задней поверхности выражено более характерно (рис. 63). При средних скоростях резания для резцов с пластинками из сплавов ВК2 и ,ВК4 быстрорежущие резцы подвергаются настолько значительному износу, что не могут быть сравнимы с указанными резцами, оснащенными пластинками из твердых сплавов. Поэтому быстрорежущий инструмент находит применение лишь при работе на небольших скоростях резания, в среднем не превышающих 10—15 м/мин (см. рис. 61,6), причем в тех случаях, когда не представляется возможным изготовить режущий инструмент, оснащенный твердым сплавом. Проведенное исследование износа инструмента, применяемого при выполнении этих видов обработки, показало, что общей особенностью затупления сверл и разверток, оснащенных пластинками, из твердого сплава ВК8, а также быстрорежущих сверл, разверток, метчиков и протяжек является преобладание износа по задней поверхности (рис. 64). Однако у быстрорежущих инструментов наряду со значительным износом по задней поверхности происходит быстрое притупление режущих кромок, в то время как у сверл, разверток и протяжек, оснащенных пластинками из твердого сплава ВК8, режущие кромки практически остаются острыми и при наличии износа по задней поверхности. Притупление кромок приводит не только к увеличению износа по задней поверхности, но и к потере (уменьшению) размера развернутого отверстия или протянутого паза. Указанное явление связано с низким модулем упругости титановых сплавов и, следовательно, значительной склонностью их к упругому деформированию. Вследствие этого возросшие при обработке затупленным инструментом силы резания вызывают существенные упругие деформации обрабатываемой детали.