Чугун — это сплав железа с углеродом, в котором содержание последнего превышает 2,14%. Свойства чугуна сильно зависят от технологии изготовления. Упрощенно технология изготовления чугуна сводится к следующему: берется металлический лом, расплавляется в большом чане — чугун готов. Конечно, все намного сложнее, но чем больше различных материалов на входе, тем менее предсказуемы свойства чугуна на выходе, а это серьезно усложняет последующую механическую обработку. Несмотря на это, получающийся металл, с экономической точки зрения, идеально подходит для изготовления больших партий деталей и широко используется в автомобильной промышленности. Применяется множество видов чугуна, включая ковкий, белый, серый и высокопрочный (с шаровидным графитом). Эта статья поможет тем, кто обрабатывает серый или высокопрочный чугун. В ней мы подробно рассмотрим обработку резанием серого и высокопрочного чугуна инструментом из твердого сплава, кубического нитрида бора и, когда это возможно, поликристаллического алмаза.

ТВЕРДЫЙ СПЛАВ

Серый чугун — материал, из которого изготавливают множество автомобильных деталей, таких как блоки цилиндров ДВС, тормозные диски и головки блока цилиндров. Для изготовления автомобильных комплектующих также часто применяется высокопрочный чугун. На его обработку, как правило, уходит в три раза больше инструмента, чем на обработку серого чугуна. Такое положение дел объясняется тем, что высокопрочный чугун содержит больше кремния и легирующих элементов, в виде труднообрабатываемых карбидов. Кроме того, графит в сером чугуне представлен в виде чешуек и достаточно легко обрабатывается резанием. В высокопрочном же чугуне графитовые включения имеют форму шара, окруженного оболочкой из карбида кремния. Несмотря на то, что серый чугун легче обрабатывается резанием, есть некоторые трудности: при обработке выделяется значительное количество теплоты. Именно поэтому на твердосплавные пластины для обработки чугуна наносится достаточно толстое многослойное покрытие (около 20 мкм), включающее в себя слой оксида алюминия (Al2O3). Al2O3 защищает основу твердосплавной пластины от перегрева, кроме того, оксид алюминия очень химически стабилен: он не вступает в реакцию с чугуном, что позволяет избежать химического износа пластины. Твердосплавные пластины с таким покрытием работают на скоростях резания 300—450 м/мин.

Обработка высокопрочного чугуна твердосплавными пласти0 нами ведется на скоростях 150—250 м/мин, но для этого требуется покрытие более стойкое к абразивному изнашиванию. Применяются покрытия, в которых Al2O3 чередуется с толстыми слоями TiCN (карбонитрид титана).

Свойства основы твердосплавной пластины имеют большое значение, поэтому выбирайте мелкозернистый твердый сплав с тонким слоем кобальта прямо под покрытием (исключается микровыкрашивание основы).

ОБРАБОТКА БЕЗ СОЖ

Обработка чугуна — в буквальном смысле грязное дело, так как при этом разрушается и превращается в пыль свободный графит. Пыль, оседая, загрязняет все пространство вокруг станка. Как правило, с этим борются путем применения СОЖ. На самом деле при обработке «всухую» повышается и производительность, и стойкость инструмента.

При использовании СОЖ могут появиться термические трещины из-за разницы температур, так как труднее всего подать СОЖ туда, где она действительно нужна, — на режущую кромку. В результате — разница температур между зонами пластины, куда СОЖ попадает и куда не попадает, значительна. Применение СОЖ может также способствовать повторному перерезанию стружки при растачивании блока цилиндров ДВС. Так как тяжело направить СОЖ непосредственно в зону резания, она отражается от дна отверстия, поэтому приносит с собой абразивную стружку. Это снижает стойкость инструмента на 50—75 процентов.

Основные проблемы при обработке без СОЖ — большое количество пыли и выход размера за пределы поля допуска в результате нагрева заготовки в процессе обработки. Необходи0 мой точности можно добиться путем увеличения подачи — деталь просто не будет успевать нагреваться.

КУБИЧЕСКИЙ НИТРИД БОРА

Кубический нитрид бора (эльбор) широко применяется при обработке серого и отбеленного чугуна. Высокопрочный чугун им обрабатывают не так часто из-за большого содержания феррита. Для серого чугуна содержание феррита должно быть ниже 10%, а лучше ниже 5%. В противном случае стойкость будет невелика. При содержании свободного феррита менее 5% скорость резания составит 1000—1500 м/мин в зависимости от условий обработки. Содержание феррита зависит во многом от времени года, в которое произведены отливки, связано это со временем охлаждения. Зимой феррита много, а летом мало. Высокопрочный чугун также обрабатывают кубическим нитридом бора. Это оправдано при замене шлифования резанием, или при невозможности получения требуемого качества поверхности с помощью твердого сплава. Скорость резания составляет 120—200 м/мин.

При обработке чугуна кубическим нитридом бора рекомендуется подача не менее 0,1 мм/об., а глубина резания 0,1—3 мм. Подачу необходимо увеличивать до тех пор, пока позволяет качество получаемой поверхности — улучшится и производительность, и стойкость.

ТВЕРДОСТЬ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Для кубического нитрида бора применение СОЖ противопоказано (особенно при фрезеровании) из-за риска образования термических трещин. Кубический нитрид бора отлично работает при высоких температурах 900—1100° С.

Кубический нитрид бора — твердый и износостойкий материал, поэтому покрытие не существенно увеличит его стойкость. Покрытие золотого цвета (TiN) помогает определить, когда пластина изношена, так как кубический нитрид бора черного цвета и проточины черного цвета.

Для обеспечения прочности режущей кромки на ней делается фаска 0,1—0,25 мм. Для уменьшения сил резания также используются пластины с острой режущей кромкой, которые часто применяются при растачивании. Слишком большие силы резания вызывают отжим расточной оправки, что ведет к отклонению от цилиндричности или круглости в поперечном сечении. Для растачивания выбирайте пластины с острой режущей кромкой, с небольшим скруглением режущей кромки или с уменьшенным углом фаски. В полной мере эти рекомендации относятся к операции растачивания чугунной гильзы, запрессованной в алюминиевый блок цилиндров. Рекомендуемые режимы резания: глубина резания 0,35 мм на сторону (получистовая обработка) и скорость резания 1000—1100 м/мин. Подача выбирается максимальной из обеспечивающих качество поверхности.

ТВЕРДЫЙ СПЛАВ ПРОТИВ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА

Что использовать: твердый сплав или кубический нитрид бора? Для принятия решения необходимо в первую очередь знать объем партии: чем она больше, тем выгоднее использовать кубический нитрид бора. В сравнении с твердым сплавом или керамикой скорость резания в два0три или даже четыре раза выше. В то же время стойкость также увеличивается. При использовании кубического нитрида бора производительность увеличивается в 5—10 раз.

Часто кубический нитрид бора используют, когда успех операции зависит в первую очередь от стойкости инструмента. При этом достигается высокое качество и уменьшается количество брака. Инструмент из кубического нитрида бора стоит дороже твердосплавного, но при правильном его использовании себестоимость изготовления одной детали получается ниже.

ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ АЛМАЗ

При обработке материалов на основе железа инструмент из поликристаллического алмаза используют очень редко из-за риска графитизации.

Если же температура в зоне резания будет оставаться ниже 700° С, то его применение может оказаться экономически эффективным. Для этого выбирается инструмент с нулевым на0 клоном режущей кромки и задним углом 7°, сама режущая кромка должна быть острой, любая фаска увеличивает сопротивление, а значит и выделение тепла. Обязателен подвод СОЖ через инструмент, а также обильный наружный подвод СОЖ. Рекомендуемые режимы резания для серого чугуна: скорость резания 150 м/мин, подача 0,12 мм/об. и глубина резания 0,25 мм. При этом достигается феноменальная стойкость. В каждом конкретном случае инструмент подбирается отдельно, необходимо также оптимизировать режимы резания.

Вне зависимости от того, каким инструментом вы обрабатываете чугун, проконсультируйтесь по поводу его выбора со специалистом, в таком случае вы сможете найти оптимальное решение гораздо быстрее.

Д. Тренев, генеральный директор компании «Мир Станочника»