Обработка шлифованием высоколегированных коррозионно-стойких сталей на примере 12Х18Н10Т

Введение

В последнее время наблюдается тенденция роста использования высоколегированных коррозионно-стойких сталей в различных узлах и механизмах, что объясняется целесообразностью применения данных материалов в условиях высоких нагрузок, температур, давления, а также агрессивных сред. Однако данные стали обладают очень существенным недостатком – плохой обрабатываемостью резанием и, в частности, шлифованием.

Плохая шлифуемость высоколегированных сталей объясняется следующими особенностями характеристик материала:
1. Высокая пластичность.
2. Низкая теплопроводность.
3. Сохранение твердости и прочности при высоких температурах.
4. Низкая виброустойчивость при обработке ввиду нестабильности процесса пластической деформации.

На процесс абразивной обработки оказывает влияние очень большое количество факторов, среди которых – способ шлифования, применяемое оборудование, режимы резания. Помимо этого, в отличие от лезвийных инструментов, сам шлифовальный круг является многокомпонентным телом, параметры которого нужно учитывать при обработке. На свойства и работоспособность кругов влияют форма и ориентация абразивных зерен, используемых в структуре круга, тип связки, рецептура круга, способ смешивания компонентов, особенности технологии производства и пр. [1],[2],[3].

Методика проведения исследований

Целью проводимых испытаний было исследование шлифуемости высоколегированных коррозионно-стойких сталей на операции бесцентрового шлифования и определение наиболее оптимальных режимов обработки.

В качестве характеристик работоспособности шлифовальных кругов были приняты следующие параметры:
- шероховатость обработанной поверхности;
- средняя температура поверхности заготовки;
- микротвердость обработанной поверхности;
- среднеквадратичное отклонение размера детали.

Характеристики используемых в работе кругов были выбраны на основе рекомендаций, изложенных в работах [4],[5],[6], в соответствии с ГОСТ Р 52781-2007 и имеют следующие обозначения:
- 1350×100×203 25А F80 O6V (25А16СТ16К5);
- 1350×100×203 25А F60 O6V (25А25СТ16К5);
- 1350×100×203 25А F60 Q6V (25А25СТ36К5);
- 1350×100×203 25А F80 N7V (25А16С26К).

Ведущий абразивный круг имеет следующую характеристику:
- 250×100×127 14А F 90 P 4R (14А12СТ24В).

Обработка проводилась методом бесцентрового шлифования с поперечным врезанием. Исследования проводились на детали, заготовка которой представлена на рисунке 1.

В качестве исследуемого материала была принята сталь марки 12Х18Н10Т (ТУ 14-1- 377-72), обладающая плохой обрабатываемостью, поскольку содержит в больших количествах легирующие элементы: хром (15÷18 %), никель (8÷11 %), титан (1,0÷1,5 %).

В таблице 1 представлена приборная база, используемая в ходе проведения экспериментов.

Определение микротвердости осуществлялось на приборе «ПМТ-3» при нагрузке 25 г, на каждом образце делалось 20 отпечатков, на основании которых искомая величина определялась как среднее арифметическое. Остальные параметры определялись по стандартным методикам.

Эксперименты проводились на круглошлифовальном бесцентровом станке мод. 3М182 (рис. 2). 

Исследования предусматривали 2 основных этапа:
1. Определение характеристик шлифовального круга, обеспечивающих наилучшие условия шлифования.
2. Оценка влияния режимов обработки на процесс шлифования.

Рассмотрим более подробно данные этапы.

Первый этап

Критериями выбора абразивного инструмента были приняты:
- средняя температура поверхности заготовки;
- изменение исходной твердости поверхности детали после обработки.

Теплонапряженность процесса шлифования зависит от ряда характеристик круга, а именно его твердости, числа и размера зерен, принимающих участие в процессе резания.

Анализ полученных результатов по средней температуре обрабатываемой поверхности показал, что наименьшая температура наблюдается при шлифовании кругом с характеристикой 25А F60 O6V (25А25СТ16К) и составляет порядка 550– 600 °С (рис. 3а). Максимальная температура Т ≈ 700 и более ˚С была зафиксирована при обработке кругами с характеристикой 25А F80 O6V (25А16СТ16К) (рис. 3в) и 25А F80 N7V (25А16С26К) (рис. 3г). Круги с характеристикой 1350×100×203 25А F60 Q6V (25А25СТ36К5) показали промежуточные результаты Т ≈ 650÷700 °С (рис. 3б). 

Результаты изменения исходной твердости после обработки представлены в таблице 2.

Полученные результаты показывают, что наибольшую твердость после шлифования имеют детали, обработанные кругом с характеристикой 25А F60 O6V(25А25СТ16К). Дальнейшие испытания проводились данным инструментом.

Второй этап

В процессе испытания изменялась глубина резания и частота вращения ведущего круга.

В качестве параметров оценки процесса шлифования были приняты следующие показатели:
- шероховатость обработанной поверхности;
- размер детали после шлифования и среднеквадратичное отклонение размера;
- твердость обработанной поверхности; - микротвердость;
- средняя температура поверхности заготовки.

В таблице 3 представлена зависимость изменения шероховатости от глубины резания.

Из анализа таблицы 3 видно, что с увеличением глубины резания наблюдается значительной рост шероховатости – с Rа 0,81 при глубине резания 0,05 мм до Rа 5,88 при глубине резания 0,35 мм (для детали № 2).

Данное обстоятельство можно объяснить тем, что с увеличением глубины резания в работу вступает все большее количество зерен – как расположенных на поверхности круга, так и более утопленных в тело круга. При этом зерна врезаются в поверхность обрабатываемого материала, деформируют его и оставляют более глубокие срезы. Кроме того, увеличение глубины резания обуславливает повышение контактного давления круга на обрабатываемую поверхность, что приводит к увеличению толщины стружки, а следовательно, росту шероховатости.

В таблице 4 представлены экспериментальные данные изменения параметра шероховатости в зависимости от частоты вращения ведущего круга.

Полученные результаты подтверждают существенное влияние частоты вращения круга на шероховатость обработанной поверхности. Это можно объяснить возникновением налипания и внедрения обрабатываемого материала на рабочую поверхность круга, что подтверждается визуальным осмотром поверхности инструмента.

Анализ влияния режимов обработки на окончательный размер детали и его стабильность представлен в таблицах 5 и 6.

Как видно из полученных результатов – глубина резания и частота вращения ведущего круга оказывают влияние на размер обработанной детали за счет снижения фактического съема металла с обрабатываемой поверхности, но при этом практически не влияют на стабильность получаемых размеров.

Влияние глубины резания на твердость обработанной поверхности представлено на рисунке 4.

Снижение твердости обработанной поверхности с ростом глубины резания объясняется тем, что при обработке твердых материалов быстрее истираются и затупляются абразивные зерна. С увеличением глубины резания этот процесс интенсифицируется, на резание расходуется бóльшая мощность, поверхностный слой обрабатываемой заготовки значительно нагревается.

Рост количества теплоты в зоне резания и продолжительность теплового воздействия шлифовального круга на металл в зоне резания приводят к интенсификации процесса разупрочнения и снятию наклепа поверхностного слоя, обеспечивая при этом снижение твердости.

Зависимость твердости обработанной поверхности от частоты вращения ведущего абразивного круга приведена на рисунке 5. 

Как видно из графика, при увеличении частоты вращения имеет место существенное снижение твердости обрабатываемой поверхности. Очевидно, это происходит потому, что при снятии стружки с большой скоростью имеет место деформация (уплотнение) шлифуемой поверхности, сопровождаемая трением и возникновением очень высокой температуры. При повышении частоты вращения круга нагрузка на абразивные зерна снижается, а количество теплоты, выделяющейся в зоне шлифования и снимающий наклеп, увеличивается. Упрочнение поверхностного слоя при этом уменьшается.

Частота вращения круга (скорость резания) влияет на наклеп через изменение интенсивности теплового воздействия на поверхностный слой и продолжительности воздействия сил резания и нагрева на металл. При повышении скорости резания уменьшается время воздействия сил резания, интенсифицируется трение и выделение теплоты в зоне резания, что способствует ускорению процесса отдыха металла. В результате с ростом скорости резания, как правило, наклеп поверхностного слоя уменьшается и, следовательно, снижается твердость обработанной поверхности.

Далее проводились исследования микротвердости поверхности обрабатываемого материала. Микротвердость поверхностного слоя характеризует его упрочнение (наклеп) и является результатом интенсивной пластической деформации. Уменьшение микротвердости (разупрочнение) после шлифования, как правило, связано с нагревом до 400÷600 °С, отпуском поверхностного слоя стали и, как следствие, изменение его структуры: образованием троостита и сорбита вместо мартенсита.

Таким образом, микротвердость поверхности снижается с повышением глубины резания, а также увеличением температуры в зоне резания. Поэтому все режимные факторы, способствующие повышению температуры в зоне резания или увеличению продолжительности теплового воздействия, приводят к снижению упрочнения поверхности [6].

Вышеприведенные теоретические выкладки были полностью подтверждены практическими исследованиями (рис. 6). Во время проведения испытаний было отмечено, что для принятых условий обработки с увеличением глубины резания микротвердость обрабатываемой поверхности монотонно убывает. Микротвердость (Hµ) материала 12Х18Н10Т в состоянии поставки составила 4584 МПа.

Влияние глубины резания на среднюю температуру шлифования представлено на рисунке 7.

Анализ данных рисунков показывает, что с увеличением глубины резания с 0,05 до 0,25 мм имеет место рост температуры в 2 раза. Это явление можно объяснить увеличением времени шлифования детали и продолжительностью воздействия источника теплоты на обрабатываемую поверхность. 

Влияние частоты вращения ведущего круга (рис. 8) несколько ниже – до 1,5 раза. Это можно объяснить тем, что с увеличением трения детали о рабочую поверхность круга, одновременно уменьшается время активного контакта детали с шлифовальным кругом.

Выводы

Полученные в ходе проведения экспериментов статистические данные позволили сформулировать следующие практические рекомендации.
1. При шлифовании высоколегированных коррозионно-стойких сталей целесообразно применять абразивные круги с характеристикой 25А F60 O6V (25А25СТ16К).
2. С увеличением глубины резания и частоты вращения ведущего круга наблюдается увеличение шероховатости обработанной поверхности. Исходя из требований к качеству обработки детали, следует принимать глубину резания не более 0,2 мм и частоту вращения ведущего круга не более 108 об/мин.
3. Глубина резания и частота вращения ведущего круга оказывают влияние на размер обработанной детали за счет снижения фактического съема металла с обрабатываемой поверхности, но при этом практически не влияют на стабильность получаемых размеров. 
4. С увеличением глубины резания и частоты вращения ведущего круга наблюдается снижение твердости и микротвердости обрабатываемой поверхности.
5. Глубина резания оказывает более сильное влияние на среднюю температуру шлифования, чем частота вращения ведущего круга.