Фрезерование лотков из чистого никеля: анализ трудностей и практические меры противодействия

Проблема 1: Деформационное упрочнение и BUE происходят одновременно, что резко ускоряет износ инструмента

Чистый никель имеет гранецентрированную кубическую-кристаллическую структуру, которая придает ему превосходную прочность и пластичность, но также создает самую сложную проблему в отрасли-наклевку. При фрезеровании под действием сил резания поверхностный слой заготовки за чрезвычайно короткое время претерпевает сильную пластическую деформацию, при этом плотность дислокаций резко возрастает, а поверхностная твердость может повышаться в два-три раза по сравнению с основным материалом. Эта плотная «закаленная оболочка» напрямую увеличивает сопротивление резанию последующих режущих кромок, что эквивалентно многократному фрезерованию все более твердого материала.

Еще более неприятно то, что стружка из чистого никеля чрезвычайно прочна и не так легко ломается, как чугунная или обычная стальная стружка. Во время высокоскоростного фрезерования-стружка прочно "прилипает" к передней поверхности инструмента, постепенно накапливаясь, образуя нарост-на кромке (BUE). Как только BUE увеличивается, он изменяет фактический угол резания инструмента, притупляет режущую кромку и еще больше увеличивает силы резания. В то же время оторвавшиеся фрагменты БУЭ царапают обработанную поверхность, оставляя на поверхности лотка неровные царапины и ямки, резко ухудшая шероховатость поверхности. Если качество поверхности лотков из чистого никеля не соответствует стандартам, это напрямую и серьезно повлияет на последующую адгезию покрытия или точность сборки уплотнения.

Проблема 2: плохая теплопроводность, высокая концентрация тепла при резании, ускорение выхода из строя инструмента.

Теплопроводность чистого никеля составляет лишь одну-треть от теплопроводности стали 45#. Это означает, что большая часть тепла трения и тепла деформации, генерируемого во время фрезерования, не может быть быстро унесена через матрицу заготовки или стружку, а вместо этого накапливается на очень небольшой площади вблизи режущей кромки. Данные измерений, проведенных на месте-, показывают, что в условиях сухой резки температура твердосплавного наконечника инструмента может легко превысить 800 градусов. В условиях таких высоких-температур фаза кобальтовой связки в карбиде быстро размягчается, стойкость покрытия к окислению резко падает, значительно усугубляются диффузионный и окислительный износ инструмента.

Для деталей с определенной плоской площадью, таких как лотки из чистого никеля, еще одной скрытой опасностью термической резки является деформация под напряжением. При черновом фрезеровании локальная температура заготовки повышается, материал расширяется; после охлаждения он сжимается. Если распределение припуска неравномерное или ограничения зажима чрезмерны, поверхность лотка склонна к короблению или деформации скручивания, при этом плоскостность потенциально ухудшается с 0,05 мм до более 0,15 мм, что напрямую приводит к браку партии.

Проблема 3: сохраняются высокие силы резания, тонкостенные-конструкции вызывают очевидное отклонение инструмента и вибрацию

Чистый никель сохраняет относительно высокую прочность на разрыв и предел текучести даже при повышенных температурах, а это означает, что сопротивление резанию остается на высоком уровне от начала до конца. При тех же параметрах резания нагрузка на шпиндель при фрезеровании чистого никеля обычно на 20–30 % выше, чем при фрезеровании нержавеющей стали 304. Детали лоткового типа-часто проектируются с более тонкими ребристыми или нижними пластинами для снижения веса и экономии материала, что приводит к относительно недостаточной жесткости. Под действием сильных радиальных сил резания тонкостенные детали-очень склонны к отклонению инструмента-инструмент толкает, заготовка отскакивает; инструмент выезжает, заготовка пружинит обратно. Эта повторяющаяся упругая деформация оставляет на обработанной поверхности явные следы вибрации, что затрудняет обеспечение точности размеров и геометрических допусков.

2.Систематические решения

В ответ на три вышеперечисленные основные проблемы в сочетании с-ведущими в отрасли инструментальными технологиями и проверенным производственным-опытом производственная схема может быть систематически оптимизирована по следующим четырем направлениям.

 Выбор инструмента: твердый сплав с покрытием обязателен

Обычные инструменты из быстрорежущей-стали практически бессильны против чистого никеля, а срок службы инструмента зачастую составляет всего несколько минут. В настоящее время основным выбором для обработки чистого никеля и никелевых сплавов являются концевые фрезы из твердого сплава с покрытием. Рекомендуется использовать многослойные композиционные покрытия на основе TiAlN- или AlCrN--, поскольку такие покрытия могут образовывать плотную защитную пленку из оксида алюминия при высоких температурах, эффективно изолируя передачу тепла резки на подложку. Марка основы должна быть ультра-твердым сплавом с прочностью на поперечный разрыв не менее 4000 МПа, обеспечивающей устойчивость кромки к сколам. Что касается геометрических параметров инструмента, рекомендуется использовать положительный передний угол (12–15 градусов) и острую режущую кромку для снижения сил резания; Угол спирали составляет примерно 40 градусов, чтобы сбалансировать плавный отвод стружки и прочность кромки.

 Стратегия резки: использование «тяжелых параметров» для борьбы с «закаленным слоем»

Чтобы решить проблему упрочнения обработки, необходимо отказаться от традиционного подхода «малая глубина резания и медленная подача». Основной принцип заключается в обеспечении того, чтобы подача на зуб превышала толщину закаленного слоя, позволяя режущей кромке напрямую взаимодействовать с незакаленным «мягким» слоем материала. В реальном производстве для чернового фрезерования рекомендуется подача на зуб 0,06–0,08 мм/z, осевая глубина резания 1,5–2 мм и скорость резания, контролируемая на уровне 40–60 м/мин. Избегайте использования небольшой глубины резания (около 0,1 мм) для повторных чистовых проходов, так как это, по сути, означает, что режущая кромка "сухая-шлифовка" по закаленной оболочке, что резко сокращает срок службы инструмента. Перед чистовой обработкой оставьте равномерный припуск 0,3–0,5 мм и используйте новую пластину с небольшой подачей для окончательного прохода, чтобы добиться удовлетворительного качества поверхности Ra1,6.

Охлаждение и смазка: высокое-давление, высокая-поток-скорость – жесткое требование

Фрезерование чистого никеля обязательно требует принудительного охлаждения. Рекомендуется использовать эмульсию с концентрацией 8–10%, давлением распыления не менее 5 МПа и скоростью потока выше 15 л/мин. СОЖ под высоким-давлением служит двум целям: во-первых, для принудительной промывки зоны резания и быстрого отвода тепла; во-вторых, использовать гидравлическое давление для разрушения и вымывания стружки, предотвращая сворачивание стружки или вторичную резку. Сухая резка или простое охлаждение туманом практически невозможны для обработки лотков из чистого никеля, если только не используются керамические пластины с чрезвычайно высокими скоростями резания-, но это выходит за рамки возможностей большинства обычных мастерских.

 Обеспечение жесткости и контроль деформации

При обработке деталей лоткового типа- жесткость системы является ключом к успеху или неудаче. Для фиксации инструмента рекомендуется использовать гидравлические патроны или термопатроны-патроны, поскольку они обеспечивают равномерное усилие зажима и контролируют биение в пределах 0,005 мм. Минимизируйте длину вылета инструмента, при этом соотношение длины-к-диаметру в идеале не должно превышать 4:1. Что касается крепления, тонкостенные лотки-лучше всего закреплять с помощью вакуумных патронов или специально разработанных зажимных пластин, при этом направление усилия зажима должно быть максимально совмещено с направлением силы резания, чтобы избежать предварительной-деформации заготовки под действием зажимающего усилия. Операции черновой и чистовой обработки должны быть разделены на отдельные последовательности, с естественным охлаждением или -измерениями в процессе между ними для снятия термических напряжений. На этапе чистовой обработки используйте симметричные, многоуровневые и круговые-наклонные траектории движения инструмента, чтобы обеспечить равномерное снятие остаточных напряжений и эффективно контролировать окончательную плоскостность.

3. Заключение

Трудности при фрезеровании лотков из чистого никеля в конечном итоге связаны с тройкой сложных характеристик материала: липкий, твердый, горячий. Нагар и наросты-на кромке приводят к быстрому выходу инструмента из строя; плохая теплопроводность приводит к термической деформации; а высокие силы резания вызывают прогиб и вибрацию тонких-стенок. Не существует короткого пути к решению этих проблем,-только систематически и хорошо выполнять четыре задачи: выбирать правильные твердосплавные инструменты с покрытием, применять параметры резания, достаточные для преодоления закаленного слоя, обеспечивать высокое-давление, высокую-поточную-скорость охлаждения и стабилизировать всю цепочку жесткости заготовки-инструмента-приспособления-заготовки. Только за счет глубокой интеграции свойств материала, технологических стратегий и технологии инструментов можно обеспечить стабильное и эффективное производство лотков из чистого никеля, обеспечивая при этом качество обработки.