Титановых и жаропрочных сплавов

Изготовление деталей из коррозионностойких и жаростойких сталей, титановых и жаропрочных сплавов связано с увеличением трудоемкости обработки вследствие снижения скорости резания. Обработка этих материалов требует совершенствования существующих технологических процессов и применения инновационных инструментальных материалов.

В связи с этим необходимо совершенствование режущего инструмента путем оснащения его инновационными инструментальными материалами с многофункциональным покрытием для повышения эффективности процесса резания указанных материалов.

К группе труднообрабатываемых материалов обычно относят жаропрочные, коррозионностойкие стали и сплавы, а также материалы с особыми свойствами.

Большинство таких материалов характеризуется низкой обрабатываемостью, которая ухудшается по мере повышения жаропрочных свойств. В частности, это относится к никелевым и титановым сплавам, композитам на основе алюминиевых и титановых сплавов, упрочненных полимерными материалами, а также интерметаллоидам типа Ti-Al, Ni-Al и др.

Несомненно, все эти особенности нужно учитывать при разработке инструментального материала и многофункционального покрытия. В данном случае основную роль играет теплостойкость инструментального материала, то есть способность сохранять прочность и твердость при повышенной температуре в зоне резания, а также способность износостойкого покрытия выполнять ряд необходимых функций, которые будут рассмотрены ниже.

Титан и его сплавы также относятся к материалам, имеющим низкую обрабатываемость резанием. Твердость титановых сплавов может изменяться в широком диапазоне (НВ 1800-4000). Теплофизические и механические характеристики титановых сплавов являются основной причиной снижения скорости резания при их лезвийной обработке примерно в 5 раз по сравнению со скоростью резания конструкционных сталей.

Температура деформации при резании титановых сплавов достаточно высокая из-за малой удельной теплоемкости. Но поскольку в этом случае деформация происходит не по всему сечению стружки, а лишь по краям образующихся элементов, средняя температура деформации в зоне стружкообразования невелика. Образующаяся стружка - как правило, псевдосливная - состоит из отдельных малодеформированных элементов, связанных между собой в тонком прирезцовом слое стружки.

Отсутствие нароста и за­стойных явлений способствует неблагоприятной схеме износа режущего лезвия: деформации и округлении режущей кромки. Зачастую разрушение начинается с вершины инст­румента.

При резании труднообрабатываемых материалов основной негативный фактор – это высокая температура в зоне резания, которая приводит к разупрочнению стандартных твердых сплавов, снижению стойкости режущего инструмента и вынужденному уменьшению скорости резания. Снижение скорости резания влечет за собой увеличение времени обработки, что сказывается на производительности и себестоимости обработки в целом.

Высокие значения твердости и прочности труднообрабатываемых материалов, которые сохраняются при нагревании до высоких температур (см. рис. 4.21 и 4.22), приводят к образованию интегральных термомеханических напряжений в зоне резания, которые повышают вероятность выхода из строя режущего инструмента вследствие его хрупкого или пластического (вязкого) разрушения.

Высокая химическая активность большинства труднообрабатываемых материалов, особенно при температурах, возникающих при резании, приводит к активизации физико-химических процессов на контактных площадках инструмента (граничная адгезия, твердофазные и жидкофазные диффузионные реакции между инструментальным и обрабатываемым материалами) и является главной причиной интенсификации таких видов изнашивания режущего инструмента, как адгезионно-усталостный и диффузионный. Склонность труднообрабатываемых материалов некоторых групп (например, никелевых сплавов) к механическому упрочнению в процессе пластического деформирования при резании (наклепу) приводит к росту интенсивности абразивного изнашивания. Кроме того, как правило, при упрочнении металла возрастают его упругие свойства, что приводит к увеличению упругого последействия, увеличению длины контакта задней поверхности и поверхности резания. Как следствие увеличивается тепловыделение за счет трения, что в совокупности со склонностью к адгезии инструментального и обрабатываемого материала приводит к изнашиванию контактной площадки задней поверхности режущего инструмента.

Краткий анализ свойств труднообрабатываемых материалов с точки зрения процесса резания показывает, что основными причинами отказов инструмента можно считать:

- потери формоустойчивости режущей части инструмента (пластическое разрушение);

- физико-химические виды изнашивания контактных площадок режущего инструмента, в частности адгезионно-усталостное изнашивание.

Таким образом, при лезвийной обработке труднообрабатываемых материалов возникает задача разработки инструментального материала улучшенного состава с учетом приведенных особенностей процесса резания труднообрабатываемых материалов. Одним из важнейших показателей инструментального материала в данном случае является повышенная теплостойкость и прочность.

Согласно международному стандарту ISO 513: 2004-07 при обработке резанием рассмотренные виды труднообрабатываемых материалов условно на группы обрабатываемости: M (обработка коррозионностойких сталей), S (обработка жаропрочных сталей и сплавов, титана и его сплавов) и H (обработка закаленных сталей и чугуны. В табл. 4.5 - 4.7 приведены рекомендации по применению инструментальных материалов для обработки коррозионностойких сталей. В табл. 4.23 приведены рекомендации по выбору инструментальных материалов и скоростям резания для обработки жаропрочных сталей и сплавов и титановых сплавов.

Таблица 4.10. Инструментальные материалы и скорости резания для обработки жаропрочных сталей, жаропрочных и титановых сплавов.