Распространенные проблемы при обработке глубоких отверстий

Распространенные проблемы при обработке глубоких отверстий

Обработка глубоких отверстий в труднообрабатываемых материалах, отклонение оси глубоких отверстий и появление спиральных канавок на обработанной поверхности – все это сложные проблемы, которые необходимо решать при обработке глубоких отверстий, напрямую влияющие на качество и эффективность обработки. Поэтому исследования методов обработки глубоких отверстий в труднообрабатываемых материалах, контроля отклонения оси глубоких отверстий и предотвращения образования спиральных канавок на обработанной поверхности стали ключевыми направлениями в этой области. За прошедшие годы теоретический анализ и экспериментальные исследования этих вопросов дали значительные результаты в области обработки.

Раздел 1: Обработка глубоких отверстий в труднообрабатываемых материалах

В связи с быстрым развитием машиностроения специализированные материалы с превосходными физико-механическими свойствами, коррозионной стойкостью, антимагнитными свойствами и стойкостью к высокотемпературному окислению все чаще используются при обработке глубоких отверстий. Несмотря на то, что их характеристики обработки различаются, все они имеют общую особенность: они чрезвычайно трудно поддаются резанию. В следующих разделах будут представлены соответствующие характеристики резания и соответствующие технологические параметры. I. Обработка глубоких отверстий в нержавеющей стали
1. Обрабатываемость нержавеющей стали
Нержавеющая сталь классифицируется по микроструктуре на аустенитную (например, 1Cr18Ni9Ti), аустенитно-ферритную (например, 1Cr18Ni11Si4AITi), ферритную (например, 1Cr17), мартенситную (например, 1Cr13) и дисперсионно-твердеющую (например, OCr17Ni4Nb, часто называемую PH17-4).
Обрабатываемость ферритной нержавеющей стали аналогична обрабатываемости легированной стали. Мартенситная нержавеющая сталь обладает высокой твёрдостью и прочностью после закалки, что затрудняет её резку. Кроме того, при чистовой обработке незакалённой нержавеющей стали сложно добиться низкой шероховатости поверхности. Относительная степень обрабатываемости (К) аустенитной нержавеющей стали составляет 0,15–0,5, что указывает на высокую пластичность материала и склонность к упрочнению. Её теплопроводность составляет всего треть от теплопроводности стали 45#, что делает её одной из самых труднообрабатываемых нержавеющих сталей. Дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь обычно имеет твёрдость HRC32–HRC38 и прочность ≥1100 МПа. Помимо высоких механических свойств, этот материал также обладает коррозионной стойкостью аустенитной нержавеющей стали. В настоящее время он широко используется в каротажных приборах и химическом оборудовании. При обработке этого материала инструмент быстро изнашивается, стружечная вязкость высокая, а резание относительно сложное.
2. Меры обработки аустенитной нержавеющей стали
(1) Выберите подходящий материал инструмента: как правило, выбирают твёрдые сплавы YW1, YW2 или YG8A. Не следует выбирать твердый сплав YT, поскольку заготовка имеет сродство с Ti в инструменте, что может привести к серьёзному застреванию и износу инструмента.
(2) Выберите подходящую скорость резания: как правило, v≤20 м/мин, а f составляет 0,01–0,07 мм/об.
(3) Выберите подходящий угол в плане инструмента: выберите больший передний угол для лёгкой и экономящей трудоёмкость обработки. (4) Выберите правильный метод удаления стружки: поскольку аустенитная нержавеющая сталь плохо поддаётся стружке, если низкоскоростной стружколом с глубоким стружколомом не может её эффективно измельчить, лучше всего принять противоположные меры, то есть снизить подачу. Увеличьте скорость резания для удаления тонкой стружки, чтобы стружка была длинной, непрерывной и плавно отводилась, обеспечивая плавное резание.

2. Обработка глубоких отверстий в титановых сплавах
Титановые сплавы делятся на три категории: TA1–TA8. Титановые сплавы типа TB1TB2 называются β-титановыми сплавами; титановые сплавы типа TC1–TC11 называются (a+β) двухфазными титановыми сплавами.

1. Технологические свойства титановых сплавов (1) Низкий модуль упругости: модуль упругости титанового сплава составляет около 1/2 модуля упругости стали (т.е. 108 ГПа). Между задней поверхностью и обрабатываемой поверхностью возникает сильное трение. Это одна из основных причин высокой температуры резания титановых сплавов.

(2) Высокая удельная сила резания. Титановый сплав плотностью r = 4,51 кг/см3 обладает высокой «удельной прочностью» (прочность/плотность) и «удельной жёсткостью» (жёсткость/плотность). Во время резания длина контакта между лезвием и стружкой чрезвычайно мала, поэтому удельная сила резания относительно велика. (3) Высокая химическая активность: при высоких температурах титан бурно реагирует с такими газообразными компонентами воздуха, как O₂N₂, H₂, CO и CO₂. В частности, он образует твердые растворы внедрения с кислородом и азотом, создавая твердый слой с очень высокой твердостью, который оказывает сильное воздействие на износ инструмента. (4) Высокое сродство: во время резки из-за сильного трения между стружкой и поверхностью лезвия, под действием высокой температуры резания и высокого давления резания титановые элементы в материале инструмента и материале заготовки имеют взаимное сродство, что приводит к закусыванию и прилипанию к инструменту, заставляя инструмент производить адгезионный износ. (5) Плохая теплопроводность: коэффициент теплопроводности титанового сплава составляет около 1/5 до 1/3 от коэффициента теплопроводности стали 45#. При высокой температуре резания тепло резания концентрируется на режущей кромке, и инструмент изнашивается быстрее. 2. Основные технологические меры (1) Контроль температуры резания: Практика показала, что снижение температуры резания является эффективным способом повышения стойкости инструмента при обработке титановых сплавов. Поэтому рекомендуется использовать более низкую скорость резания, большой передний угол, большой задний угол и большой угол вторичного отклонения для снижения трения, облегчения резания и уменьшения тепловыделения; используйте охлаждающую жидкость с определенным давлением и расходом для достаточного охлаждения, чтобы тепло, выделяющееся при резании, быстро рассеивалось.
(2) Используйте вольфрамокобальтовый твердый сплав: этот инструментальный материал имеет низкое сродство к титану и хорошую теплопроводность. Чем мельче зерна твердого сплава, тем выше эффективность резания.
(3) Повысьте жесткость технологической системы: это может эффективно снизить вибрацию при резании и повысить долговечность инструмента. Например, используйте сверлильный стержень или центральную стойку с высокой жесткостью.
(4) Используйте стружколом с внутренним скосом: дно канавки имеет больший радиус, что уменьшает деформацию стружки. Радиус кривизны стружки больше, что, по-видимому, связано с «свободным завиванием» или «свободным стружкодроблением», а не с «принудительным стружкодроблением» или «ударным стружкодроблением», что может эффективно повысить долговечность инструмента.

III. Обработка глубоких отверстий в жаропрочных сплавах
1. Категории жаропрочных сплавов
Жаропрочные сплавы делятся на три категории: на основе железа, никеля и кобальта. Из трёх типов жаропрочных сплавов сплавы на основе железа обладают наихудшей стойкостью к окислению, являются также самыми дешёвыми и легче обрабатываются. Сплавы на основе железа имеют аустенитную структуру, но их относительная обрабатываемость примерно вдвое ниже, чем у аустенитной нержавеющей стали, что значительно затрудняет их обработку. Основные марки стали: GH135 (Cr15Ni35W2Mo2Al2.5Ti2) и GH36 (4Cr12Ni8Mn8MoVNb).

Жаропрочные сплавы на основе никеля обладают лучшей стойкостью к окислению, чем сплавы на основе железа, но хуже, чем сплавы на основе кобальта. Они дороже сплавов на основе железа, но дешевле сплавов на основе кобальта. Их обработка сложнее, чем обработка сплавов на основе железа, но проще, чем обработка сплавов на основе кобальта. Основные марки: GH33 (Cr20Ni77AlTi2.5) и K3 (17Cr12Ni68W5M04C05Al5Ti3). GH33 — деформируемый сплав, а K3 — литейный.

2. Характеристики резания жаропрочных сплавов на основе никеля

(1) Высокая степень наклепа, степень упрочнения обработанной поверхности может достигать 200–500%. (2) Высокая сила резания, в 2–3 раза превышающая таковую у стали 45#. (3) Высокая температура резания, которая может достигать 1000 °C. (4) Быстрый износ инструмента.

3. Основные технологические мероприятия для жаропрочных сплавов на основе никеля

(1) Выберите твердый сплав YD15, устойчивый к высоким температурам и обладающий высокой стойкостью к окислению и диффузионному износу.

(2) Выполните закалку жаропрочных сплавов на основе никеля для перевода внутренних металлических соединений в твердые растворы, тем самым снижая усилие резания.

(3) Повысьте жесткость технологической системы и используйте центральную стойку и сверло с максимально возможной жесткостью. Кроме того, некоторые меры по повышению жесткости инструмента во время резания могут быть приняты при его проектировании, например, путем соответствующего уменьшения эксцентриситета, увеличения радиального усилия, действующего на направляющий блок, использования виброгасящих блоков и виброгасящих полос, а также использования четырехлезвийного сверла вместо трехлезвийного.

(4) Уменьшите скорость резания, но не слишком снижайте подачу, чтобы избежать срезания лезвием закаленного слоя.
(5) Обеспечьте достаточное охлаждение и плавный отвод стружки.