Рабочие процессы в современных установках и агрегатах проходят при значительных нагрузках на все конструктивные элементы. Эксплуатация деталей при высоких скоростях, давлении и температурах приводит к тому, что элементы, выполненные из обычных конструктивных сталей, быстро выходят из строя. Для работы в таких условиях необходимы особые сплавы, к числу которых относится нержавеющая сталь. Высокая прочность, жаростойкость и хорошие антикоррозийные свойства – основные характеристики нержавейки. Однако эти свойства сплавов имеют и отрицательные стороны: прочностные характеристики нержавеющей стали не изменяются под воздействием давления и температур, что влечёт за собой сложность механической обработки.
Особенности обработки нержавеющей стали
Предел растяжимости и показатели твёрдости у нержавеющей и углеродистой стали почти одинаковые. Но важно учитывать, что схожи лишь механические значения, а вот микроструктура, устойчивость к коррозии, способность к упрочнению во время обработки различны. Поэтому обработка нержавейки на токарном станке имеет свои особенности.
Можно выделить три основные проблемы, которые необходимо учесть при обработке нержавейки:
- деформационное упрочнение;
- ограниченный ресурс рабочего инструмента;
- удаление стружки.
При резании сплав сначала упруго деформируется и подвергается обработке, после чего он быстро переходит в стадию упрочнения. На этом этапе резание можно выполнять только при значительных усилиях. Такие же процессы протекают и при обработке обычных сталей, но упрочнение занимает больше времени.
Низкая теплопроводность нержавеющей стали является её преимуществом в процессе эксплуатации, но при механической обработке доставляет дополнительные неудобства. В области резания температура значительно повышается, что может привести к образованию наклёпа. Наклёп на инструменте способен изменить форму режущей части, поэтому токарная обработка нержавеющей стали выполняется с использованием специального инструмента. Скорость резания при этом невысока. Все токарные операции должны проводиться с подачей охлаждающих жидкостей. Данные составы не только удаляют жир, но и препятствуют образованию наклёпа. Процесс обработки протекает значительно легче.
Нержавейка отлично сохраняет прочность и твёрдость даже под воздействием высоких температур. Данные свойства в комбинации с образовавшимся наклёпом не позволяют осуществлять обработку при высоких скоростях, а рабочий инструмент быстро приходит в негодность. Кроме того, в составе нержавеющих сталей присутствуют карбидные и интерметаллические соединения, которые делают сплавы более прочными. Трение в процессе обработки нержавейки значительно выше, чем при аналогичных операциях с углеродистыми сплавами. Абразивные соединения способствуют быстрому стачиванию резцов, инструмент необходимо постоянно править и затачивать.
Этим хитрости обработки нержавейки на токарном станке не ограничиваются. Дополнительную трудность может вызвать вязкость стали. Из-за этого стружка не отламывается, как при снятии с углеродистых сталей, а завивается в длинную спираль. Скопление длинных спиралей мешает процессу точения. Предотвратить это позволяет использование специальных стружколомов и интенсивная обработка поверхности охлаждающими составами.
При токарной обработке деталей из нержавейки обычно применяется охлаждение под высоким давлением. Жидкость подаётся непосредственно в место обработки, охлаждая и саму деталь, и инструмент. Это позволяет увеличить эксплуатационный ресурс резцов до 6 раз, но есть у данного способа и один минус – большой расход охлаждающей жидкости.
При токарной обработке используется специализированный стружколом с положительной геометрией. Такая форма стружколома уменьшает самоупрочнение сплава и препятствует образованию наплыва на поверхности резака.
Самоупрочнение нержавеющей стали и выбор режущего инструмента
Самоупрочнение – важнейшая характеристика нержавейки, способная вызвать дополнительные трудности при обработке. Чем сильнее упрочняется материал, тем быстрее изнашивается инструмент. При использовании специальных режущих пластинок эта проблема не так ярко выражена: их рабочие кромки острее обычных, а поверхности изнашиваются дольше.
Минимизировать воздействие самоупрочнения можно путём поэтапного снятия слоёв металла. Наиболее эффективный способ – снятие за два подхода по 3 мм стали. Часто специалисты рекомендуют снимать неодинаковые слои в первом и втором подходе.
Как уже было сказано выше, самоупрочнение приводит к быстрому износу резаков. В целях увеличения эксплуатационного ресурса инструментов разрабатываются специальные формы кромок для нержавейки. Используются два типа режущих инструментов:
- резцы с покрытой CVD) алмазом;
- резцы с кромкой, покрытой инструмент с физически охлаждённой кромкой (PVD) алмазом.
Наивысшей износостойкостью отличаются твёрдосплавные резцы с пластинами, покрытыми нитритом бора.
Скорость резания нержавеющей стали устанавливается по такой же методике, что и при обработке обычных конструкционных сплавов. Однако при расчётах необходимо учесть ряд особенностей обработки нержавейки.
Способы оптимизации процесса обработки нержавейки
В производственных условиях применяется ряд методик, позволяющих минимизировать отрицательное влияние характеристик нержавейки на процесс её обработки. Это:
- увеличение скорости вращения шпинделя и уменьшение снимаемого слоя, благодаря чему обработанная поверхность получается более шероховатой;
- использование в качестве смазки кислоты, которая на порядок повышает износоустойчивость резцов;
- введение в зону обработки слабых токов, что позволит управлять процессами электродиффузионного и окислительного износа инструмента;
- воздействие на зону резания ультразвуковых колебаний, что снижает пластические деформации и коэффициент трения.
Воздействовать на структуру и механические характеристики материала можно при помощи специальной термической обработки.