3. Рациональные условия выполнения некоторых операций обработки вольфрама
3.1 Обрабатываемость резанием тугоплавких материалов
Обрабатываемость жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов во много раз ниже, чем обрабатываемость обычных конструкционных сталей, и в значительной степени определяется особенностями химического состава и структуры.
Специфика химического состава и структуры жаропрочных сплавов обусловливает целый ряд особенностей при обработке этих материалов резанием. Наиболее важными из них являются следующие: большие величины сил резания; высокие температуры в зоне резания; высокая интенсивность абразивного и диффузионного износа; возникновение вредных вибраций.
Эти особенности характерны и для тугоплавких металлов. Механические свойства тугоплавких металлов довольно сильно изменяются в зависимости от температуры в сравнительно узком интервале. Предел текучести тугоплавких металлов быстро возрастает с уменьшением температуры, но интенсивность его понижения для рассматриваемых металлов различна, большая для молибдена и вольфрама по сравнению с танталом и ниобием. Быстрый рост предела текучести обусловливает более хрупкое разрушение металла при низких температурах, так как зарождение и развитие микротрещин под действием нагрузки осуществляется легче, чем деформация скольжения.
В связи с этим тугоплавкие металлы имеют различную чувствительность к хрупкому разрушению, и их по этому признаку можно условно разделить на две группы: первая группа— вольфрам, молибден, хром вторая группа — ниобий, тантал и др.
По данным М. В. Мальцева и американского ученого Дж. X. Бехтольда, в каждой из групп элементы, имеющие меньший атомный номер, более чувствительны к хрупкому разрушению, чем элементы с большим атомным номером. Причина этих различий полностью не установлена. Возможно, что эти различия являются следствием разной растворимости примесей внедрения, сегрегацией различных примесей на границах зерен. Все тугоплавкие металлы очень чувствительны к загрязнению газовыми примесями (кислородом, азотом, водородом). В зависимости от содержания примесей тугоплавкие металлы обнаруживают значительные колебания физических свойств.
Теплофизические свойства материалов оказывают влияние на поведение металлов при механической обработке. Низкий коэффициент теплового расширения приводит к появлению небольшой величины теплового расширения в зоне резания. Гораздо большее значение, чем весовая теплоемкость, при механической обработке имеет объемная теплоемкость. Величина ее достигает 69—75% объемной теплоемкости стали. Поэтому вольфрам нагревается быстрее, чем сталь и температура обрабатываемой детали, стружки и резца выше, чем при резании стали.
Рассмотрение особенностей свойств тугоплавких металлов, и в частности вольфрама, убедительно показывает чрезвычайно большие трудности, сопровождающие процессы механической обработки этих материалов. Сравнение обрабатываемости сплавов вольфрама, молибдена и ниобия с жаропрочным сплавом ХН77ТЮР но скорости дает следующие коэффициенты обрабатываемости Кv; молибденовый сплав ВМ2 3,4, сплав ниобия 1,6; сплав вольфрама с молибденом 0,32 и вольфрам 0,14 [44].
В литературе имеется мало данных об оптимальных режимах резания вольфрама, данные эти часто противоречивы, поэтому требуется проведение дальнейших исследований для их уточнения и изыскания новых способов интенсификации процесса резания.
Были проведены исследования по точению вольфрама резцами, оснащенными пластинами из быстрорежущих сталей Р18, Р12Ф5М и твердых сплавов ВК8, ВК60М, ВК15М. Геометрия резцов: α=10-12°, γ=15°, γf= 0°, φ=45°, φ1= 15°. Заточка резцов из твердых сплавов производилась алмазным кругом АСВ, из быстрорежущих сталей - кругом ЭБ; после заточки резцы доводили на чугунной плите с помощью порошка карбида бора. За критерий затупления был принят износ по задней поверхности Лл = 0,6 мм.
Исследования показали, что стойкость режущего инструмента очень мала и не превышает нескольких минут. Кроме того, как известно, стойкость не может характеризовать режущие свойства инструмента при обработке тугоплавких металлов. Поэтому целесообразнее оценивать режущие свойства по площади обработанной поверхности. При точении твердосплавным резцом из сплава ВК60М уменьшение скорости резания с 60 до 5 м/мин позволяет увеличить стойкость с 2 до 4 мин. Однако площадь поверхности, обработанной до затупления резца, уменьшается более чем в 5 раз (с 22∙103 до 4∙102 мм2). Таким образом, стремление к увеличению стойкости приводит к очень большому снижению производительности (более чем в 10 раз). Поэтому целесообразно назначать рациональные режимы резания исходя из условия достижения максимальной площади обработанной поверхности.
Лучшие результаты имеют вольфрамокобальтовые сплавы марок ВК60М и ВК10ОМ с особомелкозернистой структурой, которые на оптимальных режимах позволяют увеличить площадь обрабатываемой поверхности в 3,5 и 2,5 раза соответственно по сравнению с твердым сплавом ВК8.
Зависимости износостойкости инструмента от режимов резания при обработке вольфрама имеют сложный характер. Наибольшая износостойкость достигается при работе в узком диапазоне скоростей резания (v=30÷40 м/мин для сплава ВК15М и v=45÷60 м/мин для сплавов ВК8 и ВК60М) и подач (S = 0,3÷0,4 мм/об). Это является особенностью механической обработки вольфрама.
Снижение или повышение скорости резания приводит к сокращению площади обработанной поверхности. При точении вольфрама на малых скоростях резания (v = 5÷20 м/мин) стружка сходит в виде очень мелких частиц, которые вызывают интенсивный абразивный износ инструмента. Обработанная поверхность получается с шероховатостью Rz-80÷40 мкм; При увеличении скорости резания до определенных значений процесс резания улучшается, стружка сходит в виде крупных сегментов, а иногда даже сливная. Образование сливной стружки объясняется тем, что благодаря выделяемому теплу температура части стружки находится выше зоны перехода из хрупкого состояния в пластическое. Тем же можно объяснить максимум площади при оптимальных скоростях резания. Средняя температура в зоне резания при точении вольфрама резцом из сплава ВК8 на скоростях 35—45 м/мин составляет примерно 700°С. Зона перехода из хрупкого состояния в пластическое колеблется в широких пределах 150—500°С. Температура перехода вольфрама из хрупкого в пластическое состояние зависит от наличия примесей внедрения, структуры литого, деформированного или отожженного металла и других факторов. Вольфрам технической чистоты, получаемый методом порошковой металлургии, как и материал ВПМ, имеет максимальную температуру перехода из хрупкого в пластическое состояние (450—500° С).
При скоростях резания выше оптимальных стружка приобретает красный оттенок, приваривается к передней поверхности резца. Резец очень быстро изнашивается. Следует отметить, что в процессе точения резец изнашивается одновременно по передней и задней поверхностям на всех исследуемых диапазонах скоростей резания.
Для сил резания, возникающих при точении вольфрама высокой плотности, характерна большая радиальная составляющая (до 50%), особенно для резцов с отрицательными передними углами. Глубину резания следует назначать не более
1,5 мм, особенно при обработке деталей с невысокой жесткостью.
После химической обработки поверхность нелегированного вольфрама имеет большую шероховатость, даже при небольшом увеличении можно рассмотреть правильные ряды надрывов, каждый из которых может служить местным концентратором напряжений. Вероятность откалывания и растрескивания особенно велика при фрезеровании. Значительные осевые и радиальные силы, неизбежные при сверлении и нарезании резьбы, ведут к образованию выкрашиваний и радиальных трещин. Растрескивание тонких, не имеющих опоры участков — серьезная опасность при всякой операции резания. При сравнительно высоких скоростях процессов непрерывного резания, таких, как токарная обработка, образование стружки сопровождается местным нагревом, благодаря которому металл непосредственно у передней кромки инструмента переходит в полупластичное состояние, чем частично устраняются вредные последствия.
В зоне невысоких скоростей резания (до 10 м/мин) лучшие результаты показывают инструменты из быстрорежущей стали Р18, но при увеличении скоростей выше 10 м/мин наблюдается резкое снижение их стойкости. Для резцов из стали Р18 при обработке сплавов на основе вольфрама оптимальный передний угол Y=20°. Такой угол улучшает образование и сход стружки, а также уменьшает силы резания. Геометрия резцов должна быть следующая: задний угол α=15°, главный угол в плане φ = 45°, вспомогательный угол в плане φ1 = 15°, угол наклона главной режущей кромки λ=0°, радиус при вершине 0,3—0,4 мм. Для резцов, оснащенных пластинками из-твердых сплавов, оптимальный передний угол γ=15° с упрочняющей фаской, равной 0,6—0,8 мм и γf=0°.
Пропитанный вольфрам можно легко обрабатывать резцами из различных сплавов. Так как ни вольфрам, ни пропитывающие составляющие химически не реагируют с режущим инструментом, заметная химическая адгезия на кромках резца отсутствует. Пропитывающий материал фактически действует как смазка.
Силы резания при токарной обработке вольфрама, пропитанного серебром, при одинаковой глубине резання меньше сил при обработке большой части других металлов и гораздо меньше, чем при резании непропитанного вольфрама. Несмотря на небольшую величину сил резания, максимальные значения глубины резания и скорости подачи следует ограничивать вследствие природной хрупкости материала и его высокого модуля упругости. При токарной обработке пропитанного вольфрама в определенных условиях обнаруживается склонность к вибрации. Однако ограничения, обусловленные колебаниями резца, с практической точки зрения к серьезным последствиям не приводят.
Обрабатываемость вольфрама можно улучшить за счет нагрева срезаемого слоя, производимого в печи, газопламенным способом, излучением, индукционным нагревом токами высокой частоты, способом электросопротивления, обработкой в среде легкоплавкого металла.
Нагрев в печи неудобен, так как необходимо устанавливать печи в механических цехах, применять средства защиты станков от теплового воздействия, установка и закрепление нагретой детали затруднительны. Остальные перечисленные способы нагрева относятся к способам локального нагрева. Из них наиболее удобными являются индукционный нагрев токами высокой частоты и нагрев по способу электросопротивления.
Во всех случаях нагрев ведет к снижению механических свойств, определяющих сопротивление материала пластическим деформациям. Применение нагрева при резании ограничивается интенсификацией износа рабочих граней инструментов. Поэтому введение предварительного нагрева улучшает обрабатываемость в тех случаях, когда увеличение стойкости инструмента вследствие снижения удельной работы резания больше, чем отрицательное действие 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 оптимальных условиях предварительный нагрев материала срезаемого слоя обусловливает его значительно большее разупрочнение и на большую величину. В результате уменьшаются силы резания и контактные силы трения, что ведет к снижению тепловыделения, обусловленного процессом резания, так как приращение температуры эквивалентно работе, совершенной инструментом.
Рис. 23 Зависимость твердости (1) и прочности (2) от температуры нагрева для литого вольфрама
Предварительный нагрев, с одной стороны, повышает температуру в зоне резания, а с другой, снижая интенсивность тепловыделения, оказывает на температуру резания косвенное влияние, уменьшая ее. При выборе температуры нагрева не следует достигать температур, вызывающих структурные изменения в материале. Для вольфрама оптимальная температура подогрева 350—420° С. Стойкость инструмента при резании вольфрама с подогревом повышается в 1,5—2 раза. Как видно из рис. 23, на котором приведена зависимость твердости и прочности литого вольфрама от температуры нагрева, существенное изменение твердости происходит при повышении температуры до 400—450° С, дальнейшее повышение до 1000° С монотонно уменьшает прочность вольфрама и незначительно снижает его твердость. Сравнительные эксперименты для молибденового сплава ВМ-2 показали, что для него с ростом температуры твердость уменьшается меньше.
Сверление лучше производить, сверлами с твердыми сплавами ВК10М и ВК15М. Лучшие результаты показывают сверла с косыми канавками и повышенной жесткостью, достигаемой за счет сокращения длины рабочей части и увеличения толщины сердцевины. Подточка перемычки снижает осевую силу № уменьшает выкрашивание кромок отверстия. Рекомендуемые геометрические параметры сверл: 2φ=110° (при двойной заточке 2φ1= 110°, 2φ2=70°), γ = 0с, α = 9÷12°; скорость резания 2— 8 м/мин, подача S = 0,034÷0,08 мм/об.
Сверление вольфрама и его сплавов с подогревом детали до 160—180е С сверлами из стали Р18 дает удовлетворительные результаты. Лучшие результаты получаются при применении сверл повышенной жесткости из сплава Р9К5 или Р9Ф5. Если используют твердосплавные сверла, то заготовку целесообразно подогревать до 400—420° С. Обрабатываемость при сверлении некоторых тугоплавких материалов Kv следующая: сплав ХН77ТЮР 1, сплав молибдена ВМ-2 3,0, сплав ниобия 1,3 и вольфрамовый сплав 0,2 [44].
Нарезание резьбы в нелигированном вольфраме не удается удовлетворительно выполнять обычными метчиками при комнатной температуре. Большие силы резания, при нарезании резьбы и хрупкость вольфрама обычно приводят к выкрашиванию обрабатываемой заготовки в различных местах. Наряду с этим метчик имеет очень низкую стойкость. При поддержании температуры обрабатываемой заготовки около 425°С и применении усиленного метчика удается нарезать 10—15 отверстий при скорости v ≈ 1 м/мин.
В процессе прерывистого резания, например, фрезерования, происходит постоянное чередование рабочего и холостого хода, а это вызывает периодичность воздействия на инструмент и заготовку тепловой и силовой нагрузки. Прерывистый характер работы инструмента приводит к его преждевременному выходу из строя, микровырывы, образующиеся на его поверхности, переносятся на поверхность детали. Образовавшиеся таким образом надрывы являются концентраторами напряжений и могут при определенных условиях стать причиной образования микротрещин.
На рис. 24 приведены зависимости стойкости при торцовом:
фрезеровании вольфрамового сплава ВПМ от скорости резания, подачи и от геометрии инструмента. Материал режущей части фрезы — сплав ВК8, обработка без применения СОЖ. Оптимальным при торцовом фрезеровании является режим: скорость резания 23,8 м/мин, подача 0,1 мм/зуб. Задний угол целесообразно принимать равным 5°. Несмотря на то, что стойкость у фрез, имеющих передний угол γ = 5°, выше, чем при γ=0, вероятность скола при γ=0 значительно меньше.
Исследование влияния различных жидких технологических сред при торцовом фрезеровании показало, что из всех испытанных сред только СС14 оказывает значительное влияние на
стойкость инструмента.
Режимы механической обработки могут оказывать влияние на образование дефектов типа трещин. Большая шероховатость может явиться причиной образования трещин.
Влияние скорости резания, подачи и глубины резания на возможность образования трещин различно и определяется степенью влияния их на шероховатость поверхности. Так, увеличение скорости резания способствует снижению шероховатости поверхности. Обработанные в определенных условиях образцы подвергались травлению в растворе Муроками и обработке красками «Судан». В процессе исследования образцы рассматривали в микроскоп с увеличениями от 20 до 250 раз с целью обнаружения дефектов. В связи с тем, что возникали трудности в различии поверхностных дефектов типа вырывов от трещин, образцы дополнительно полировали для уменьшения шероховатости. Затем их подвергали электрохимической обработке (ЭХО) в ванне с едким натром при кратковременном наложении постоянного тока 20 В, I = 75 A, τ=1—2 с.
Влияние подачи исследовали при резании образцов па режимах D=40 мм, n = 190 об/мин, v=23,8 м/мин, s=19÷132 мм/мин, sτ = 0,1÷0,7 мм/зуб, t=0,5 мм. Обработанная поверхность вдоль линии реза фрезы имеет различный характер. При входе инструмента поверхность имеет шероховатость Rz=40 мкм. Эта зона составляет 5—7 мм. Затем на поверхности появляются вырывы и чешуйки. Такая поверхность характерна для большой части реза. При выходе фрезы на поверхности образуются сколы [6].
Рис. 24 Зависимость стойкости от параметров резания
и геометрии инструмента из сплава ВК8 при торцовом
фрезеровании
Размеры первой и второй зоны в проведенных экспериментах мало зависели от условий обработки. Сколы, характерные для третьей зоны, вызваны появлением в металле напряжений растяжения, величина которых определяется толщиной срезаемого слоя. Размеры сколов были несколько уменьшены изменением положения заготовки относительно фрезы. Сдвиг фрезы в сторону уменьшения толщины срезаемого слоя при выходе инструмента из заготовки способствует уменьшению вероятности появления сколов на поверхности. Поверхность детали, образованная при наименьшей подаче, имеет шероховатость Rz=40 мкм. Она представляет собой чередование следующих друг за другом надрывов. Вид такой поверхности, рассмотренной через настольный микроскоп, представлен на рис. 25. Надрывы равномерно следуют друг за другом. Увеличение скорости подачи приводит к ухудшению качества поверхности, вырывы становятся более грубыми, а чередование их значительно чаще. Самая грубая поверхность получена при подаче 0,67 мм/зуб. Надрывы имеют грубые равные края, глубина этих надрывов более значительна. Наиболее благоприятной с точки зрения образования трещин была обработка при sz=0,1 мм/зуб. На рис. 25 четко видны образовавшиеся при входе инструмента в заготовку трещины.
Влияние скорости резания на образование трещин в операции торцового фрезерования исследовалось при следующих параметрах режима: D=40 мм, n=265, 375, 530 об/мин, что соответственно составило v=35; 49,5; 70 м/мии, s=0,1 мм/зуб, t=0,5 мм [6].
Рис. 25 Повезхность вольфрама после торцового фрезерования на различных режимах
Известно, что электрические явления при трении и резании оказывают существенное влияние на основные показатели этих процессов. Пропуская электрический ток через зону резания, можно за счет джоулевого тепла разупрочнить обрабатываемый материал и тем самым уменьшить работу резания. Другим способом является разрыв цепи тока, возникающего под действием термо-ЭДС, который уменьшает электродиффузионный износ, что благоприятно действует па процесс резания. И, наконец, пропуская через зону стружкообразования электрический ток, можно ожидать эффекта за счет увеличения подвижности дислокаций (эффект электропластичности).
Эксперименты по торцовому фрезерованию вольфрама с пропусканием через зону резания постоянного электрического тока силой 0,2 А прямой и обратной поверхности при скорости резания v=11,9 м/мин и подаче s = 0,2 мм/зуб не оказывают существенного влияния на износостойкость сплава ВК8 (вид изношенной поверхности показана на рис. 26, а). При скорости резания v=233,8 м/мин отмечается снижение стойкости при прямой полярности и повышение ее на 10—25% при обратной полярности.
Пропускание через зону резания тока большей величины (0,5-1,5 А) несколько увеличивает износ твердого сплава, меняется и характер износа. На рис. 26,б видны следы вырывов и оплавлений. Скорость резания в этом случае не влияет на величину и характер износа. Увеличение силы тока до 10 А при скорости резания 11,9 и 23,8 м/мин приводит к интенсивному износу с выраженными следами электрической эрозии (рис. 26, в). Полярность тока не оказывает влияния на величину и характер износа.
Разрыв цепи термо-ЭДС при наших условиях резания не оказал заметного влияния на износ инструмента.