Основы резания материалов и режущий инструмент

П. И. Ящерицын, М. Л. Еременко, Н. И. Жигалко

Машиностроение, 1981 г.

ГЛАВА22. ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ НЕКОТОРЫХ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

22.1. Физические основы резания жаропрочных и титановых сплавов

В последние годы в различных отраслях промышленности широкое применение нашли нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, титановые и другие стали и сплавы, имеющие особые физико-механические свойства. Детали, полученные из этих материалов, обладают повышенной износостойкостью, коррозионной и эрозионной стойкостью и т. д. Однако обрабатываемость таких сталей и сплавов резанием очень низка, а поэтому их называют труднообрабатываемыми. Такие материалы обычно содержат большое количество никеля (15...50 %) и хрома (10...25 %), что определяет их повышенную прочность (800...1100 МПа) и низкую теплопроводность (почти в три раза меньше теплопроводности углеродистых сталей).

Для обработки резанием этих сталей и сплавов необходимо иметь четкое представление о физических явлениях, протекающих в зоне резания, и в первую очередь о процессах деформирования и срезания слоя материала в виде стружки, а также формировании поверхностных слоев обработанных деталей. Следует отметить, что известные методы обрабатываемости обычных конструкционных материалов не всегда пригодны для труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Пластическая деформация в процессе резания, как известно, сопровождается образованием сдвигов, двойникованием и остаточным искажением кристаллической решетки. В результате пластической деформации металлов и сплавов происходят сдвиги, характеризующиеся параллельным смещением отдельных частей монокристаллов по плоскости скольжения. Применяемые конструкционные труднообрабатываемые сплавы имеют одну из трех кристаллических решеток: гексогональную (ВП-1) (три непараллельных направления сдвига), кубическую объемно-центрированную (ВТ15) и кубическую гранецентрированную,— имеющих соответственно шесть и четыре плоскости скольжения.

Кристаллические решетки обладают различной склонностью к пластическому деформированию. Наибольшей пластичностью отличаются металлы и сплавы с кубической гранецентрированной решеткой (например, жаропрочные стали на никелевой основе).

Весьма плохо поддаются пластическому деформированию металлы и сплавы с гексагональной решеткой.

Процесс стружкообразования как для труднообрабатываемых, так и для обычных конструкционных материалов, обычно изучают при свободном резании. Это позволяет, пренебрегая весьма незначительным краевым явлением, деформацию считать плоской, а процесс образования сливной стружки и скалывания при постоянной скорости резания — непрерывным и установившимся.

Наиболее широкое применение при изучении деформированного и скоростного состояний металла в процессе резания обычных конструкционных и труднообрабатываемых материалов получил достаточно простой и высокоточный метод координатных сеток [103], позволяющий: 1) определить границы наиболее интенсивно пластически деформированной зоны металла впереди резца и под резцом; 2) оценить величину деформации в любой точке деформированной зоны; 3) изучить процесс деформации металла во времени.

Вместе с тем к координатным сеткам предъявляются весьма жесткие требования, которые в основном сводятся к следующему. Сетки должны иметь достаточно малую базу, быть прочными, контрастными и термостойкими. База сетки обычно обеспечивает однородность деформаций в пределах одной ячейки и поэтому ее стремятся уменьшить. Однако очень малая сетка с размером ячейки 0,05 мм не будет заметна на образце после его деформирования, так как полированная поверхность после деформации становится шероховатой. К тому же процесс нанесения таких сеток достаточно сложен. При выборе базы сетки учитывают размеры пластической зоны, которые зависят от скорости резания, переднего угла инструмента и толщины срезаемого слоя. Так, в исследованиях процесса стружкообразования при глубине резания до 1 мм авторы работы [103] использовали царапанные, накатные и травленые сетки с базами 0,125; 0,16; 0,2 и 0,25 мм.

Сетки наносятся различными способами: царапанием, кернением, штамповкой, травлением, методом фотосетки, накаткой типографской краской и электрофизическими методами. Ограниченное применение находят первых три способа, так как при их использовании нарушается сплошность поверхностного слоя металла, образуются надрезы, а также метод фотосеток ввиду того, что техника их нанесения сложна и требует специального оборудования.

Накатка сеток типографской краской со специальных матриц обеспечивает достаточно малую базу, при этом нанесение сетки отличается простотою. При медленном высыхании краска сохраняет свою пластичность в течение нескольких месяцев, и в процессе резания при деформации вместе с образцом непрерывность линий сохраняется.

22.2. Обрабатываемость резанием титановых сплавов

Титановые сплавы характеризуются рядом особенностей, к которым, в частности, относятся малая пластичность, высокая химическая активность и др.

Малая пластичность характеризуется высоким коэффициентом упрочнения (табл. 22.1), который примерно в два раза больше, чем жаропрочных материалов [88]. Вместе с тем значения механических характеристик титановых сплавов б и Ψ по сравнению с жаропрочными меньше. Пониженная пластичность приводит к тому, что при обработке титановых сплавов сила Р_гпримерно на 20 % ниже, чем при обработке сплавов на основе железа, а образуемая стружка по внешнему виду напоминает сливную, имеет трещины, разделяющие ее на очень слабо деформированные элементы, прочно связанные между собой тонким и сильно деформированным контактным слоем. Образование такой стружки объясняется тем, что с увеличением скорости пластическая деформация при высокой температуре и давлении протекает в основном в контактном слое, не затрагивая срезаемый слой. Поэтому при весьма высоких скоростях резания образуется не сливная, а элементная стружка.

Высокая химическая активность титановых сплавов при обработке приводит к активному взаимодействию их с окружающей средой, что проявляется в сильном поглощении кислорода и азота воздуха. В результате происходит охрупчивание материала, уменьшаются силы резания, снижается температура резания [79, 119].

Так как теплопроводность титановых сплавов значительно меньше, чем конструкционных сталей, при их резании возникает температура, примерно в 2,2 раза большая, чем при обработке стали 45.

Пониженные пластические свойства титановых сплавов в процессе их деформации способствуют развитию опережающих микро-и макротрещин, а большие углы сдвига Ψ = 38...44° приводят к образованию стружки с коэффициентом усадки, близким к единице. В отдельных случаях в результате активного поглощения кислорода и азота воздуха титановыми сплавами при их обработке получается стружка с отрицательным коэффициентом усадки, т. е. стружка имеет большую длину, чем путь резания. При обработке титановых сплавов на тех же режимах резания в струе аргона отрицательной усадки не наблюдается.