Токарная обработка деталей из коррозионностойких сплавов


М. В. Соколов







            ТОКАРНАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СПЛАВОВ



Учебное пособие























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621:004.896
ББК 34.500.1
С59

Утверждено ученым советом
        Тамбовского государственного технического университета в качестве учебного пособия для студентов старших курсов и магистрантов, занимающихся проектированием технологий металлообработки на станках с ЧПУ








Рецензенты: заведующий кафедрой материалов и технологии ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» доктор технических наук, профессор Мордасов Денис Михайлович; начальник производства АО «Тамбовский завод “Революционный труд”» Долотов Виктор Иванович




      Соколов, М. В.
С59 Токарная обработка деталей из коррозионностойких сплавов : учебное пособие / М. В. Соколов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 144 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0783-0

      Даны основы расчета режимов резания, приведена методика подбора режущего инструмента с учетом его конструктивных особенностей. Показаны методы практического исследования получаемой шероховатости. Описано влияние термической обработки на заготовку или готовую деталь из алюминиевых сплавов. Рассмотрено значение гальванического покрытия на алюминиевых сплавах. Описан процесс обработки деталей из алюминиевых сплавов на токарных станках с ЧПУ. Предложены способы улучшения качества готового изделия.
      Для студентов бакалавриата и магистратуры машиностроительных направлений подготовки.

                                                        УДК 621:004.896
ББК34.500.1



ISBN 978-5-9729-0783-0

   © Соколов М. В., 2022
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ПРЕДИСЛОВИЕ


     В условиях современного мира большую роль в развитии мощи стран играет состояние вооружений и космической развитости. При производстве изделий для авиационной, космической и оборонной промышленности требуются легкие, высокоточные и хорошо отлаженные механизмы.
     Чтобы обеспечить данные качества изготавливаемых изделий в большинстве случаев в качестве исходных материалов используют цветные металлы.
     Примерами цветных металлов являются алюминий, медь, латунь и вольфрам, а также бронза и нержавеющая сталь. Главные свойства этих цветных металлов - легкость обработки и высокая устойчивость к коррозии. Эти идеальные свойства хороши для систем электронного и электрического типов.
     Одним из широко применяемых способов в обработке этих материалов является токарная обработка. Конечно же, уже давно на многих предприятиях в полную мощь работают станки с ЧПУ. Данные системы управления станком хорошо зарекомендовали себя в промышленности: своей точностью, скоростью обработки, быстротой наладки и смены инструмента. Но даже эта высокоточная обработка требует исследований, хотя бы потому что никогда не нужно останавливаться на достигнутом.
     В связи с тем, что масса исходных заготовок существенно превышает массу готовых деталей, основной проблемой оптимизации технологий предварительной токарной обработки, осуществляемой с целью удаления чернового слоя материала, является снижение ее трудоемкости за счет интенсивности процесса резания с учетом ограничений, связанных, главным образом, с износостойкостью режущих инструментов и режимов резания.
     Проблемы оптимизации технологии окончательной (чистовой) токарной обработки связаны с необходимостью обеспечения выполнения высоких требований к деталям, что, естественно, относится к износостойкости современного инструмента, к биению и шероховатости плоских, цилиндрических и конических

3

обработанных поверхностей, а также к разработке оптимальной и верной технологии обработки сложных поверхностей с криволинейными образующими.
     Для наиболее эффективного решения большей части этих технологических задач учитывают теоретический анализ, практические рекомендации выбора рациональных режимов резания, износостойкости и своевременной коррекции на износ режущих инструментов, качество СОЖ, погрешность обработки и написание программ для станков, анализ полученных шероховатостей обработанных поверхностей [1].
     Одной из основных задач по оптимизации технологии токарной обработки цветных металлов на станках с ЧПУ, на взгляд автора, является выбор технологических параметров, определенных в процессе их исследования. Примерами этих параметров являются: рациональная скорость вращения обработанной детали (обороты станка), глубины резания с учетом всех технологических возможностей станка и износостойкости инструмента к обрабатываемому материалу, площади обрабатываемой поверхности и времени резания, скорости подачи.
     В большинстве случаев обработки цветных металлов используются большие обороты станка, что, конечно, ведет к сильному нагреву обрабатываемой детали и инструмента. Поэтому, большую роль при обработке и стойкости инструмента играет правильный выбор смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). СОЖ играет большую роль в обработке, потому что охлаждает режущий инструмент и заготовку, облегчает процесс деформирования металла, и способствует частичному удалению из зоны резания стружки, увеличивает стойкость режущего инструмента, улучшает качество поверхностей после обработки, снижает силы резания и потребляемую мощность, а также играет роль временной защиты изделий и оборудования от коррозии [2].
     Нержавеющую сталь обрабатывают уже более 100 лет, но до сих пор эта процедура сопряжена с технологическими сложностями. Из нержавеющей стали выполняют множество деталей, постепенно вытесняющих углеродистую сталь, которая уже не выдерживает возрастающие нагрузки: для современных

4

механизмов порог прочности углеродистых сталей слишком низок. Прочность и стойкость нержавейки, которая не меняет своих свойств при высокой температуре, давлении и воздействии агрессивных сред, влечет за собой сложность ее механической обработки.
     Нержавеющая сталь обладает высокими антикоррозионными свойствами. Они обусловлены наличием в ней легирующих элементов на основе хрома. Нержавеющая сталь имеет низкий коэффициент обрабатываемости, который уменьшается в зависимости от увеличения количества легирующих элементов, таких как никель и титан.
     Изделия из нержавеющей и жаропрочной стали либо их сплавов предназначены для работы в агрессивных средах при высоких или обычных температурах. Поэтому основное требование, предъявляемое к материалам этой группы - жаростойкость (сопротивление воздействию газовой среды либо пара высоких температур) или коррозионная стойкость (наличие способности эффективно противостоять воздействию агрессивных факторов при обычной температуре).
     Коррозионная стойкость свойственна металлическим изделиям, на поверхности которых в агрессивной среде образуется прочная пассивирующая пленка, препятствующая проникновению в более глубокие слои металла и взаимодействию с ними агрессивного вещества.
     Иными словами, коррозионностойкая сталь - это сталь, обладающая стойкостью к воздействию межкристаллитной, химической, электрохимической и иной коррозии.
     Проблемой нержавеющих сталей являются их особенности и свойства, затрудняющие механическую обработку:
        •  самоупрочнение при деформации (наклёп);
        •  низкая теплопроводность (по сравнению с обычной сталью);
        •  высокая прочность (за счёт наличия легирующих элементов);
        •  склонность к налипанию на поверхность резца (образование нароста);

5

        •  трудности со стружкодроблением (из-за высокой прочности);
        •  образование заусенцев при резании.
     Главные проблемы при токарной обработке стали:
        •  деформационное упрочнение;
        •  удаление стружки;
        •  ресурс рабочего инструмента.
     Большую роль играет и правильно подобранный инструмент. Данная технологическая задача является самой важной в токарной обработке. Современные производители инструментов, которых на данный момент достаточно много, предоставляют широкий вид различных токарных инструментов. Поэтому необходим его правильный выбор. На различных станках инструмент различных производителей ведет себя по-разному. Исходя из практических анализов и математических расчетов и, конечно же, пробных измерений стойкости инструмента на реальных деталях из определенного материала на конкретном станке можно определить и подобрать оптимальный инструмент той или иной фирмы. При этом выбор не заканчивается на выборе производителя, а продолжается по всем параметрам режущего инструмента. Важную роль при выборе этих параметров является радиус при вершине резца. Технолог, который будет подбирать инструмент, должен учитывать все требования к детали, представлять, каким нагрузкам он будет подвержен и какие поверхности этим инструментом будут обрабатываться. Далее необходимо определиться, что будет приоритетным показателем: качество обработки поверхности материала или количество съема материала за один проход, т. е. глубина резания. С учетом этого выбирается тип режущего инструмента по геометрическим параметрам и классифицирующим признакам. Ну и в конце необходимо определить, насколько важно соблюдение условия износостойкости резца и в течении какого времени она должна сохраняться [3, 4].
     Методы исследования далеко не новые, но они остаются действенными и сейчас. Проводя исследования в области стойкости инструмента, мы тем самым совершенствуем режущий инструмент, который в дальнейшем будет способен 6

к более высоким нагрузкам. Исследованиями в области режимов резания мы сможем сократить время на обработку деталей, безусловно, с учетом современного инструмента. Данные исследования дают возможность получить и улучшить в условиях рыночной конкуренции экономически выгодное и развивающееся производство, имеющее возможность обеспечивать быстрое и качественное изготовление деталей, при оптимизации расходов на их изготовление, а также содержание, более долгую эксплуатацию и обслуживание высокоточных токарных станков с ЧПУ [5-7].
     В условиях современного производства приоритетным направлением исследования являются быстрый и экономичный способ повышения производительности в изготовлении высокоточных, качественных и надежных изделий. В настоящее время данные методы в области обработки нержавеющей стали нуждаются в дальнейших и более прогрессивных исследованиях, поэтому данное исследование остается актуальным и сейчас. Результаты данной работы будут способствовать усовершенствованию режущего инструмента и приведут к новым технологическим возможностям по скорости и качеству изготовления деталей из данного материала и решат вопрос растущей потребности в повышении скорости обработки.

7

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОЙ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
     1.1. Обзор современной токарной обработки цветных сплавов
     1.1.1. Цветные металлы и их отличительные характеристики среди других материалов

     В настоящее время цветные металлы играют большую роль и имеют огромное значение для производства любого типа техники. Металл является химически простым веществом, обладающим такими характеристиками, как ковкость, теплопроводность, электропроводность; внешне отличается особым блеском.
     Спрос на цветные металлы и сплавы постоянно растет, так как они все больше и чаще применяются в современной технике. Цветные металлы используются в авиастроении, ракетной и атомной технике, химической промышленности, что позволяет делать сложные сборочные единицы, делать легкими и точными. В последнее время стали применять в качестве конструкционных материалов такие металлы и сплавы на их основе, как титан, цирконий, никель, молибден и даже ниобий, гафний и др.
     Области применения в целом цветных металлов и отдельных их видов и сплавов очень разнообразны.
     Детали, изготовленные из меди, широко используются в машиностроении из-за высокой теплопроводимости и электропроводимости, ковкости, хороших литейных качеств, большого сопротивления на разрыв, химической стойкости. Около 40 % меди идёт на изготовление различных электрических проводов и кабелей. Более широкое применение в машиностроении и электротехнике нашли различные сплавы меди с другими веществами. Наиболее важные из них являются латуни (сплав меди с цинком), медно-никелевые сплавы и бронзы. В современных высокоточных приборах используют латунные втулки и винты.


8

Все медные сплавы обладают высокой стойкостью против атмосферной коррозии. В химическом отношении медь - малоактивный металл. Однако с галогенами она реагирует уже при комнатной температуре. Например, с влажным хлором она образует хлорид - СиС1₂. При нагревании медь взаимодействует и с серой, образуя сульфид - Cu₂S. Находясь в ряду напряжения после водорода, медь не вытесняет его из кислот. Поэтому соляная кислота и разбавленная серная кислота, на медь не действуют.
     Алюминий и его сплавы также как и медь применяют во многих областях промышленности и техники. Прежде всего, алюминий и его сплавы используют авиа- и автомобилестроении.
     Широко применяется алюминий и в других отраслях промышленности: в машиностроении, электротехнической промышленности и приборостроении, промышленном и гражданском строительстве, химической промышленности, производстве предметов народного потребления.
     В авиапромышленности алюминий стал главным металлом благодаря тому, что его использование позволило решить задачу уменьшения массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их применения. Из алюминия и его сплавов изготовляют авиаконструкции, моторы, высокоточные датчики и приборы, электронные блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и другие детали.
     В военной промышленности, алюминий применяется при строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, комплексов ПВО, зажигательных веществ, и для многих других целей в военной технике [8].
     Такое широкое распространение алюминий получил как антикоррозийное покрытие, он прекрасно защищает металлические поверхности от действия различных химических веществ и атмосферной коррозии.
     Также при выборе материала для изготовления используется еще одно полезное свойство алюминия - его высокая отражающая способность. Поэтому из него изготавливаются различные отражающие поверхности нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал [8].

9

     Исходя из всех вышеперечисленных способов применения алюминия, можно сказать, что алюминий прочно занял первое место среди других цветных металлов по масштабам производства и значению оборонной промышленности.
     В целом к достоинствам цветных металлов можно отнести то, что они прочны и долговечны, а также способны переносить высокие температуры. Но у них есть один большой недостаток, про который никак нельзя забывать - они коррозируют и разрушаются под воздействием кислорода. Поэтому, необходимо очень тщательно относится к обработке и защите металлов от воздействия окружающей среды.
     Самый эффективный и распространенный способ защиты цветного металла от атмосферной коррозии - это нанесение защитных лакокрасочных материалов. Выделяется три группы средств защиты металлических поверхностей: 1 - грунтовки, 2 - краски, 3 - универсальные препараты «три в одном».
     Грунтовка - это не только средство борьбы с атмосферным окислением, но и помощник краски, он передает следующему за ним покрытию лучшую адгезию к основанию. Необходимо помнить, что для разных металлов используются разные грунтовки. Так, например, для алюминиевых оснований лучше применять специальные грунтовки на цинковой основе либо уретановые краски.
     Такие металлы, как медь, латунь и бронза, не красят, так как они поступают в дальнейшую переработку с заводской обработкой, которая защищает поверхность и подчеркивает ее красоту. Когда данное заводское покрытие все же нарушается под воздействием различных факторов, то лучше всего полностью его удалить с помощью растворителя. Затем основание необходимо отполировать и покрыть эпоксидным или полиуретановым лаком.

10