Обработка резанием металлокерамических деталей (керметов), заготовки которых получают методами порошковой металлургии, занимает при их изготовлении значительное место. Это объясняется, с одной стороны, необходимостью получения более сложных форм, чем это допускает прессование, например деталей с двумя буртами, отверстиями, перпендикулярными движению пуансонов, и взаимно перекрещивающимися осями, выточками, фасками, канавками, резьбой, и, с другой стороны, получением издлий с точностью более 4 - 5-го классов, а также удешевлением производства в тех случаях, когда применить обработку резанием проще, чем использовать сложные пресс-формы.
Твердые fплавы являются весьмараспространенной разновидностью металлокерамических материалов; из них изготавливают, например, штампы, инструменты. Для их резания наиболее часто применяют электроэрозионную, анодно-абразивную, ультразвуковую и механическую обработки.
Электроэрозионный метод является эффективным средством обработки твердых сплавов. Твердые сплавы хорошо режутся высокочастотной ЭЭО с использованием в качестве инструмента непрерывно движущейся проволоки. Так, сплав ВК20 обрабатывается медной проволокой диаметром 0,2 мм с натяжением 500 г при скорости перемотки 3 мммин на режимах мкф получаемая скорость обработки при толщине детали 5 мм - 0,65 мммин .
Анодно-абразивная обработка применяется для изготовления высокоточных твердосплавных деталей. Для этого питание обычных модернизированных шлифовальных станков производится от источников постоянного тока (машинных генераторов или выпрямителей) с напряжением 25 - 30 в. Рабочей средой является смесь масел. Ступенчатым изменением силы тока в пределах 3 - 800 а задается последовательное изменение условий обработки от черновой, обеспечивающей съем основного припуска и чистоту 5-го класса, До чистовой, дающей чистоту 9-го класса; затем осуществляется доводка абразивом до 11-го класса. Анодно-абразивную обработку применяют для заточки твердосплавных инструментов (табл. 77 - данные А. Г. Рябинюка).
Механическую обработку твердых сплавов производят лезвийным и абразивным инструментами. Основным методом обработки твердосплавных вставок для холодновысадочного инструмента является абразивное и алмазное шлифование: оно применяется для получения плоских, круглых наружных и внутренних (П>5-г-8 мм) и также фасонных поверхностей и обеспечивает при производительности 40 - 100 мм3мин точность 1-го класса и чистоту поверхности до 13-го класса.
Получение цилиндрических наружных поверхностей на деталях из твердых сплавов производится шлифованием кругами карбида кремния зеленого и алмазными кругами, а отрезка заготовок - алмазными отрезными кругами и электроэрозионным методом. Снятие материала срезаемогс слоя при шлифовании твердых сплавов кругами из карбида кремния зеленого происходит путем вырывания из основного материала, дробления и раскалывания зерен карбида вольфрама. Эти процессы сопровождаются высокой температурой (~ 1500°С), которая вызывает размягчение и оплавление относительно более легкоплавкой кобальтовой связи, ее окисление и образование микротрещин. Этй явления приводят к низкому качеству поверхности. При алмазном шлифовании вследствие высокой твердости и остроты режущих кромок снятие материала происходит путем среза; температура в зоне резания в этом случае много ниже (500 - 600°С); все это способствует высокому качеству поверхности.
Лезвийный инструмент на ряде операций изготовления изделий из твердых сплавов показывает высокую эффективность. Установлено, что твердые сплавы в состоянии всестороннего неравномерного сжатия могут пластически деформироваться . Деформация протекает путем смещения отдельных блоков кристаллитов карбидной фазы, сдвигов в них, а также дробления карбидных зерен. Процесс резания твердых сплавов, так же как и других материалов, основан на разности твердостей заготовки и инструмента; однако у них степень пластической деформации в зоне стружкообразования небольшая. При обработке сплавов с содержанием кобальта свыше 15% образуется стружка надлома, отдельные куски которой состоят из сдвинутых слоев. Температура резания твердых сплавов составляет 300 - 370° С; это обеспечивает отсутствие микротрещин и структурных превращений. Поверхностный слой твердого сплава после обработки резанием представляет собой уплотненный тонкий слой, под которым располагаются зерна сплава, претерпевшие срез, скол и пластическую деформацию.
Точение твердосплавных вставок штампов из сплавов ВК20, ВК25 производится резцами, оснащенными пластинками сплава ВКЗМ, которые укреплены пайкой латунью «7162. Рекомендуются следующие режимы: для чернового точения t=0,2 - 0,5 мм,
so = 0,3-j-0,5 ммоб, v = 2-1-3 ммин для чистового =0,2 - 0,3 мм, s0=0,08-i-0,12 ммоб, о=3 - 4 ммин. Отрезка ведется на режимах so=0,05 ммоб, о = 4 - 5 ммин.
Металлокерамические пористые материалы широко применяют для изготовления подшипников скольжения; по уровню допустимых скоростей резания они также относятся к труднообрабатываемым. Так, если скорость резания, соответствующая 20-минутной стойкости твердосплавного (ВК8) резца, при обработке молибдена равна 100 ммин, то при точении пористого железографита марки ЖГЗ она не превышает 25 - 45 ммин. Наиболее распространены пористые материалы на основе железа и меди. Материалы на железной основе имеют поры неправильной формы, сообщающиеся друг с другом. Для бронзографйта характерны сфероидальные поры, обособленные друг от друга, вследствие чего при механической обработке деформация поверхностного слоя больше.
Обработка резанием пористых материалов затруднена вследствие нестабильности процесса резания из-за несплошности материала, пониженной теплопроводности, приводящей к высоким температурам в зоне резания (до 600°С), повышенной склонности к окислению; образующиеся окислы железа оказывают повышенное абразивное воздействие на инструмент.
По обрабатываемости пористые материалы ближе к чугунам; износ инструмента при их обработке происходит также только по задней поверхности. Учитьщая ухудшение Антифрикционных свойств подшипников при обработке затупленным инструментом, критерий затупления относительно мал: г3 = 0,4-0,5 мм.
Требования к механической обработке определяются назначением поверхности - для поверхностей скольжения необходим свободный доступ смазки в зону трения, т. е. мало деформированная поверхность, для неподвижных соединений нужна уплотненная поверхность, обеспечивающая необходимую прочность сопряжения. Поэтому режимы обработки по качеству получаемой поверхности делятся на неуплотняющие и уплотняющие .
Наиболее пригодны для обработки пористых материалов твердые сплавы марок ВК8, ВКЗМ, ВК6М. Скорость резания при обработке пористых металлокерамических материалов должна быть достаточно большой, чтобы выйти за зону наростообразования и обеспечить однородную шероховатость с умеренным наклепом материала поверхностного слоя. Учитывая это, при пористости обрабатываемого материала 15% скорость резания равна 85 - 250 mSmuh, при пористости 20% v= 100 - 400 ммин, при пористости 30% и=110 - 500 ммин. Подачи должны быть небольшие: при обработке высокопористых материалов (больше 25%) s0 = =0,035 ммоб, низкопористых - so=0,07 ммоб.
Металлокерамические материалы, получаемые стеканием смеси порошков металлов и их сплавов (AI2O3 - Al, AI2O3 - Cr, TiC - Ni, ZrC - Fe, Si - S), находят значительное промышленное применение; обрабатываемость резанием даже таких малопроуных, как железографитовые (Fe + ,+ Cu + C), как правило, значительно хуже, чем стали 40 X и серого чугуна СЧ 15 - 32 . Это объясняется тем, что при точении этих материалов температура резания высока, несмотря на их более низ-- ; кие прочность и пластичность, а также величины действующих сил резания. Повышение температуры получается вследствие значительно меньшей (1,5 - 2 раза) теплопроводности. Кроме того, плохая обрабатываемость резанием объясняется их более высокой истирающей способностью и также неблагоприятными условиями работы инструментального материала, обусловленными периодическим усталостным воздействием пор.
Обрабатываемость металлокерамических материалов определяется прежде всего структурой; наилучшей обрабатываемостью обладают материалы с ферритной структурой, затем, в порядке ухудшения, идут структуры фрритоперлитные, перлитные и перлитные с включением цементита. Значительное влияние на обрабатываемость оказывает форма частиц цементита, входящего в перлит; зернистый перлит обеспечивает более высокую стойкость по сравнению с пластинчатым. Это объясняется тем, что температура резания возрастает с увеличением содержания перлита и включений цементита в структуре металлокерамических материалов и, наоборот, снижается с увеличением количества феррита. Кроме того, соотношение показателей истирающей способности металлокерамических материалов с различными структурами аналогично обычным сталям; наименьшую истирающую способность показывает зернистый перлит, наибольшую - пластинчатый.
Обрабатываемость металлокерамических изделий зависит также от их пористости и степени пропитки маслом; повышение пористости с 15 до 30% увеличивает скорость резания v60 при точении заготовок, пропитанных маслом, на 50% и непропитанных - на 20%. Это объясняется тем, что повышение пористости ведёт к снижению температуры резания на 154-20°. Пропитка маслом также увеличивает значение о6о с 20% (при одной и той же пористости 15%) до 50% (при пористости 30%). Влияние пропитки маслом на повышение скорости резания больше для металлокерамических материалов, не содержащих графит, так как в последнем слуаае температура резания в 1,4-4-1,5 раза выше. Это объясняется тем, что графит играет роль смазки, при этом эффективность смазывающего и охлаждающего действия масла уменьшается. При использовании пропитки маслом как средства повышения производительности надо учитывать, что оно ухудшает санитарно-гигиенические условия выполнения операции, поскольку в процессе резания масло выгорает и его шары загрязняют атмосферу.
Металлические покрытия находят широкое применение как средство повышения жаростойких, износостойких и антикоррозионных характеристик деталей. Покрытия наносятся различу ными путями, обычно электрометаллизацией распылением. Наиболее часто обработку покрытий резанием осуществляют точением и шлифованием; это объясняется особенностями обрабатываемых изделий, а также тем, что обработка покрытий другими способами-(сверлением, фрезерованием, строганием) связана с определенными трудностями, обусловленными интенсивными выкрашиваниями обрабатываемого слоя.
Отличительной особенностью строения металлических покрытий является их слоистость - частицы металла сильно вытянуты и разделены между собой пленками окислов. Помимо этого, материал имеет большую пористость и неоднородность строения, в нем находятся оксиды, нитриды й другие химические соединения, имеющие высокую твердость. Напыленный металл по сравнению с исходным обладает большой хрупкостью. Твердость напыленного металла значительно выше исходного. Так, при нанесении низко-углеродистой стали твердость покрытия выше на 35-т-60%, а микротвердость вследствие наличия пор и трещин еще больше (в несколько раз). Все это приближает свойства покрытий к свойствам литого металла; однако они имеют свои специфические особенности. Характерными особенностями обработки резанием металлических покрытий являются:
1) хрупкость обрабатываемого материала; вызывает специфический процесс стружкообразования (см. стр. 46), когда нагрузки от процесса резания сосредоточиваются непосредственно у режущей кромки. Концентрация напряжений вызывает повышенный износ резцов у вершины. Во избежание выкрашивания поверхностного слоя не следует обрабатывать у деталей острые кромки и резкие переходы;
2) высокое истирающее (абразивное) воздействие на рабочие поверхности инструмента; оно обусловлено наличием в обрабатываемом покрытии мельчайших включений высокой твердости, которые препятствуют также пластической деформации в процессе стружкообразования; %
3) пониженная теплопроводность покрытий вследствие их пористости и наличия окислов; в результате этого при обработке резанием покрытий часто имеют место прижоги; для их устранения следует применять эффективные охлаждающие жидкости;
4) трудность получения поверхностей высокой чистоты вследствие специфического строения металлизационного слоя. Износ инструмента в процессе обработки вызывает местные разрушения поверхности покрытия: ее выкрашивание, отслаивание, появление чешуек.
Шлифование покрытий имеет отличительную особенность - быстрое засаливание круга; кроме того, пониженная теплопроводность покрытий при шлифовании часто приводит к образованию прижогов. Во избежание этого следует применять жидкости, обладающие эффективным охлаждающим дёйствием.
Одной из самых эффективных способов резки и обработки твердых материалов является гидроабразивная резка. С ее использованием можно резать такие твердые материалы как мрамор и гранит, металл, бетон и стекло. Данный вид резки широко применяется в строительстве при обработке композитных и керамических материалов, сендвич-конструкций.
Метод гидроабразивной резки заключается в узконаправленной струе воды под большим давлением, бьющей на высокой скорости по материалу. Изначально использовалась только вода, и метод назывался водоструйной резкой. Она применялась для обработки не слишком твердых материалов, которым требовалась более деликатное воздействие, чем при других видах резки. Это было оптическое волокно и кабели, ламинированные материалы, не терпящие высоких температур и возникновения пожароопасной ситуации.
Позже в воду начали добавлять абразив, который значительно усилил режущую силу водяной струи. В качестве абразива используются мелкодисперсный гранатовый песок. С использованием абразивных частиц стало возможным нарезать гораздо более твердые материалы, такие как горные породы и металлы.
В связи с этим гидроабразивная резка широко используется в различных сферах промышленности, в строительстве и при изготовлении памятников. Зачастую для изготовления памятников используется гранит, и цены на памятники в Москве позволяют сделать выбор на любой кошелек. Однако не все задумываются о том, что при заказе памятника имеет значение не только стоимость материала и работы, но и способ обработки.
Гидроабразивную резку можно назвать очень щадящей в том смысле, что нет интенсивного воздействия на материал, а значит, его прочность не снижается. На заказ памятников цены складываются исходя в том числе из способа резки и обработки камня. Гидроабразивная резка позволяет избежать трещин и сколов, а также минимизирует потерю камня при обработке. Это лишь одно из преимуществ гидроабразивной резки.
Гидроабразивная резка: преимущества и особенности
1. Отсутствие сильного нагрева материала
Этот параметр критичен как для металла, так и для природного и искусственного камня, плитки. При резке водяной струей с абразивом температура сохраняется в диапазоне 60-90ºС. Таким образом, материал не подвергается воздействию высоких температур, как при других видах резки, что увеличивает его срок эксплуатации.
2. Универсальность применения
При помощи гидроабразивного "лезвия" можно одинаково успешно разрезать как твердые, так и средней твердости материалы. Правда, в случае работы с последними абразив использовать не нужно.
3. Отличное качество реза
Шероховатость кромки среза при использовании гидроабразивной резки — Ra 1,6. Использование этого способа поможет получить четкий срез без лишней пыли и потери материала.
4. Пожаробезопасность
Все компоненты, используемые при резке, пожаро- и взрывобезопасны в том числе и за счет низкой температуры. При резке не используются воспламеняющиеся вещества, что существенно снижает риск при работе.
5. Отсутствие оплавления материала
Это свойство также вытекает из температуры при разрезе. При резке материал не пригорает ни в прилегающих зонах, ни непосредственно на срезе, что особенно актуально при работе с металлами.
6. Многопрофильное использование
Используя гидроабразивную резку, можно разрезать как лист стали толщиной 200 мм, так и множество тонких листов, сложенных вместе. Это позволяет экономить время и повышает производительность.
К недостаткам можно отнести дороговизну расходного материала (а именно песка) и ограниченный ресурс режущей головки и некоторых других комплектующих станка. Станок для гидроабразивной резки состоит из насоса (нескольких), в которых нагнетается вода под давлением до 4000 бар, сопла, смесительной камеры и второго твердосплавного сопла.
Как происходит гидроабразивная резка:
При помощи насоса закачивается вода под давлением до 4000 бар;
Высокотехнологичный и сложный процесс, для выполнения которого требуется особое оборудование и специальный инструмент. Это связано с тем, что подобные сплавы обладают высокой упругостью и прочностью, а потому сильно противостоят резанию, сверлению, шлифовке и прочим механическим обработкам. При этом качество соответствующего процесса во многом зависит от характеристик металла и правильного подбора режущего инструмента.
Особенности твердых сплавов
К труднообрабатываемым металлам относятся жаропрочные и нержавеющие стали и сплавы. Эти материалы представляют собой твердый раствор аустенитного класса, поэтому им присущи такие качества, как высокое сопротивление к коррозии, способность работать в напряженном состоянии на протяжении длительного времени, стойкость к химическому разрушению. Кроме этого, некоторым видам данных металлов присуща структура высокой дисперсности. За счет этого процесс скольжения практически не происходит.
Также усложняется обработка по следующим причинам:
- при резке происходит упрочнение материала;
- сплавы такого характера обладают низкой теплопроводностью, а потому контактная часть обрабатываемой детали и инструмента начинают схватываться;
- сохраняется исходная прочность даже при очень высокой температуре;
- высокая истирающая способность сплавов приводит к образованию включений, которые негативно отражаются на инструменте;
- виброустойчивость металлов обуславливается неравномерное протекание процесса резания, а значит, получить желаемое качество обработки не получится.
Подбор инструмента
Для того чтобы избежать всех вышеописанных проблем и провести качественную обработку твердых сплавов, необходимо в первую очередь правильно подобрать инструмент. Он должен быть изготовлен из металла, который обладает более высокими режущими свойствами, чем обрабатываемая деталь. При этом для предварительной обработки специалисты рекомендуют использовать твердосплавными резцами, а для чистовой - быстрорежущие. К последним относятся стали марок Р14Ф4, Р10К5Ф5, Р9Ф5, Р9К9.
Для изготовления инструмента из твердосплавных металлов используют три вида сплавов:
- Т30К4, Т15К6, ВКЗ - износостойкие;
- Т5К7, Т5К10 - отличаются высокой вязкостью;
- ВК6А, ВК8 - нечувствительны к ударам, обладают наименьшим сопротивлением к износу.
Для упрочнения инструментов и повышения их рабочих характеристик дополнительно проводят нанесение второго слоя твердосплавного металла, цианирование, хромирование, плакирование.
СОЖ
Правильный подбор охлаждающих жидкостей и способа их применения - не менее важный процесс в том случае, если необходимо произвести обработку твердых сплавов. Для сверления специалисты рекомендуют использовать материалы на минеральной основе. Особенно они повышают производительность при работе с титаном, который очень сложен в работе. Для токарной обработки легированных сталей подойдет полусинтетические СОЖ, для хонингования и шлифовки чугуна - жидкость без минеральных масел. Также существуют универсальные материалы, которые очень выгодно использовать в том случае, если характер обработки металла постоянно меняется.
Наиболее оптимальный способ подачи СОЖ при работе с твердыми металлами считается высоконапорный, при котором жидкость подается тонкой струей на заднюю стенку инструмента. Не менее эффективными являются распыление жидкости и охлаждение углекислотой. Все это позволяет повысить стойкость инструмента и улучшить качество обработки.
Требования к оборудованию
Оборудование для обработки твердых металлов разительно отличается от стандартных станков. Подобные модели отличаются:
- повышенной жесткостью всех механизмов;
- виброустойчивостью;
- высокой мощностью;
- наличием каналов для отвода стружки;
- особые места посадки для фиксации короткого инструмента.