Механическая обработка стальных и чугунных деталей

Механическая обработка стальных и чугунных деталей внешне строится на одних и тех же операциях: заготовку точат, фрезеруют, сверлят, растачивают, нарезают резьбы и доводят поверхности до заданной точности. Но с технологической точки зрения сталь и чугун ведут себя при резании по-разному.

Более того, двух слов «сталь» и «чугун» обычно недостаточно даже для предварительного выбора режима обработки. Низкоуглеродистая сталь, закалённая легированная сталь, серый чугун, высокопрочный чугун и высокохромистый износостойкий чугун могут настолько различаться по обрабатываемости, что для них потребуются разные инструмент, режимы резания и последовательность операций.

Поэтому при изготовлении детали по чертежу необходимо учитывать не только её геометрию, но и марку материала, твёрдость, структуру заготовки, способ её получения, припуски и требования к готовым поверхностям.

Какие операции применяют при механической обработке стали и чугуна

В зависимости от конструкции детали технологический маршрут может включать:

• токарную обработку наружных и внутренних поверхностей;

• фрезерование плоскостей, уступов, пазов и сложных контуров;

• растачивание отверстий и посадочных поверхностей;

• сверление, зенкерование и развёртывание;

• нарезание наружной и внутренней резьбы;

• обработку канавок и фасок;

• шлифование и другие отделочные операции;

• обработку зубчатых поверхностей;

• слесарную доводку.

Для деталей сложной формы несколько операций могут выполняться последовательно на разных станках либо объединяться на многофункциональном оборудовании с ЧПУ.

Однако собственно резание металла является только частью задачи. Чтобы получить деталь заданной точности, необходимо правильно определить технологические базы, закрепление заготовки, последовательность черновых и чистовых переходов и промежуточный контроль.

Чем обработка стали отличается от обработки чугуна

Главное различие связано со структурой и механическими свойствами материалов.

Сталь обычно обладает большей пластичностью. При резании она способна образовывать относительно длинную непрерывную стружку, а в зоне контакта инструмента с металлом возникают значительные механические и тепловые нагрузки.

Для чугуна характерно присутствие графита или твёрдых структурных составляющих в зависимости от его типа. Серый чугун обычно образует короткую ломкую стружку, однако его структура оказывает абразивное воздействие на режущую кромку.

У литых заготовок дополнительно приходится учитывать состояние наружного слоя: литейную корку, локальные изменения твёрдости, возможные остатки формовочного материала и неравномерность припуска.

При этом таблица показывает только общую тенденцию. Конкретный режим определяется маркой и состоянием материала.

Особенности механической обработки стальных деталей

Стали представляют собой чрезвычайно широкую группу материалов. Даже близкие по назначению марки могут существенно различаться по твёрдости, прочности и обрабатываемости.

Низкоуглеродистые стали

Относительно небольшая твёрдость не всегда означает простую обработку.

Пластичный металл может образовывать длинную стружку, затрудняющую её удаление из зоны резания. При определённых режимах возможно образование нароста на режущей кромке, что ухудшает качество поверхности и стабильность размера.

Поэтому при обработке таких сталей важны:

• правильная геометрия режущей кромки;

• стабильное стружкодробление;

• соответствующая подача;

• эффективное удаление стружки;

• применение СОЖ, если этого требует операция.

Среднеуглеродистые и легированные стали

С увеличением прочности и твёрдости растёт нагрузка на режущий инструмент.

При черновой обработке необходимо обеспечить достаточную жёсткость системы «станок — приспособление — инструмент — деталь». При чистовых операциях на первый план выходят стабильность размера, состояние режущей кромки и предотвращение вибраций.

Термообработка стали

После закалки или другой термической обработки обрабатываемость материала может измениться радикально.

Поэтому последовательность операций иногда строят таким образом, чтобы основную часть припуска удалить до окончательного упрочнения, а после термообработки выполнить только необходимые чистовые операции.

Такой маршрут особенно важен для деталей, требующих одновременно высокой твёрдости и точной геометрии.

Но универсального правила «сначала полностью обработать, потом закалить» также нет. Термическая обработка способна вызвать изменение размеров и формы, поэтому технологическая последовательность определяется требованиями конкретного чертежа.

Механическая обработка серого чугуна

Серый чугун с пластинчатым графитом относится к наиболее хорошо обрабатываемым разновидностям чугуна.

Во время резания материал сравнительно легко разрушается перед режущей кромкой и образует короткую стружку. Это упрощает стружкоудаление и позволяет в стабильных условиях применять производительные режимы обработки.

Но есть и обратная сторона.

Графит и твёрдые структурные составляющие способствуют абразивному износу инструмента. Кроме того, при обработке отливки инструмент первоначально взаимодействует не с уже подготовленной поверхностью, а с наружным литым слоем.

Поэтому при обработке серого чугуна учитывают:

• состояние литейной поверхности;

• равномерность припуска;

• наличие твёрдых участков;

• абразивный износ режущей кромки;

• образование мелкой чугунной пыли;

• требования к шероховатости готовой поверхности.

Серый чугун хорошо подходит для изготовления станин, корпусов, оснований, плит, крышек, шкивов и других деталей, где после литья требуется получение точных посадочных, опорных или присоединительных поверхностей.

Обработка высокопрочного чугуна

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом нельзя автоматически обрабатывать по тем же режимам, что и обычный серый чугун.

Его структура обеспечивает более высокие механические характеристики, но одновременно изменяет поведение материала при резании.

По сравнению с серым чугуном обычно возрастают:

• силы резания;

• нагрузка на режущую кромку;

• требования к жёсткости технологической системы;

• чувствительность процесса к выбору инструмента и режима.

Кроме того, на обрабатываемость влияет соотношение ферритной и перлитной составляющих структуры.

Поэтому обозначение «ВЧ» само по себе ещё не является готовым режимом резания. Для технолога важны конкретная марка, твёрдость и состояние отливки.

Почему высокохромистый чугун представляет отдельную задачу

Особого подхода требуют легированные и износостойкие высокохромистые чугуны.

Их применяют именно потому, что материал должен противостоять интенсивному абразивному износу. Та же способность сопротивляться износу начинает работать уже против режущего инструмента во время мехобработки.

При высокой твёрдости обычные решения, пригодные для серого чугуна, могут оказаться неэффективными.

Технологу приходится учитывать:

• высокую твёрдость материала;

• наличие твёрдых карбидных фаз;

• интенсивный абразивный износ инструмента;

• возможную неоднородность твёрдости по сечению;

• вероятность сколов режущей кромки;

• необходимость специальных инструментальных материалов.

Поэтому стоимость механической обработки детали из высокохромистого чугуна может заметно отличаться от стоимости обработки геометрически аналогичной детали из СЧ.

Именно здесь особенно хорошо видно, почему считать мехобработку только по массе снятого металла неправильно.

Почему обработка отливки отличается от обработки проката

У механической обработки литых деталей есть ещё одна особенность: станок получает заготовку, геометрия которой уже сформирована процессом литья.

Это означает, что результат мехобработки во многом закладывается ещё до того момента, когда отливка окажется на станке.

При проектировании литой заготовки необходимо учитывать:

• припуски на обрабатываемых поверхностях;

• литейные уклоны;

• возможные смещения;

• расположение технологических баз;

• деформации при охлаждении;

• последующую термическую обработку;

• возможность надёжно закрепить заготовку на станке.

Чрезмерный припуск не является преимуществом. Его всё равно придётся удалить, затрачивая дополнительное машинное время и режущий инструмент.

Слишком малый припуск опасен уже по противоположной причине: после установки и базирования может оказаться недостаточно материала для получения требуемой поверхности по всему контуру.

Поэтому оптимальная заготовка должна быть не просто «похожей на будущую деталь», а технологически согласованной с последующей мехобработкой.

Литейная корка и первый проход

Черновая обработка литых заготовок часто является наиболее тяжёлым этапом.

Первый проход приходится выполнять по поверхности, состояние которой может отличаться от основного металла. Возможны окалина, пригар, локально твёрдые участки и следы формовочной смеси.

Кроме того, реальная величина снимаемого припуска может изменяться по поверхности детали.

В результате инструмент периодически работает с различной глубиной резания и испытывает ударные нагрузки.

Поэтому для первого прохода обычно особенно важны:

• прочность режущей кромки;

• жёсткое закрепление детали;

• устойчивость инструмента к абразивному износу;

• правильный выбор глубины резания;

• отсутствие вибраций.

После удаления наружного слоя условия обработки становятся более стабильными.

Черновая и чистовая обработка

Попытка выполнить всю мехобработку одним режимом обычно является плохой технологической экономией.

У черновой операции основная задача заключается в производительном удалении припуска. Для неё важны производительность, устойчивость инструмента и надёжность процесса.

При чистовой обработке приоритеты меняются. Здесь уже требуется обеспечить:

• заданный размер;

• геометрическую точность;

• взаимное расположение поверхностей;

• шероховатость;

• повторяемость результата.

Для массивных или сложных деталей между черновой и окончательной обработкой может предусматриваться дополнительная выдержка или термическая операция, если необходимо уменьшить влияние остаточных напряжений и возможной деформации.

Когда применяется токарная обработка

Токарная обработка металла применяется прежде всего для поверхностей вращения.

На токарных станках можно выполнять:

• наружное точение;

• внутреннее растачивание;

• торцевание;

• обработку цилиндрических и конических поверхностей;

• изготовление канавок;

• снятие фасок;

• нарезание резьбы;

• обработку посадочных поверхностей.

Таким способом изготавливают валы, оси, втулки, ступицы, фланцы, ролики, кольца, муфты, шкивы и большое количество других деталей.

Для литых заготовок особенно важным становится правильный выбор базирования, поскольку исходная наружная поверхность может иметь значительно меньшую точность, чем поверхности готовой детали.

Когда требуется фрезерная обработка

Фрезерная обработка применяется для получения плоскостей, пазов, уступов, карманов, отверстий, контурных и пространственных поверхностей.

Она особенно востребована при изготовлении:

• корпусов;

• станин;

• плит;

• оснований;

• кронштейнов;

• крышек;

• деталей со сложным расположением отверстий;

• элементов машин и механизмов со взаимосвязанными поверхностями.

Современные обрабатывающие центры позволяют выполнять несколько переходов за одну установку. Это снижает количество повторных базирований и помогает обеспечить взаимную точность поверхностей.

Но само наличие ЧПУ не отменяет требований технологии. Если заготовка закреплена неправильно, имеет нестабильный припуск или недостаточную жёсткость, красивый монитор у станка физику не уговорит.

Нужна ли охлаждающая жидкость при обработке чугуна

Однозначного правила нет.

Многие операции с серым чугуном допускают сухое резание. Материал образует короткую стружку, а современные инструментальные материалы способны работать при значительной температуре.

Однако применение СОЖ может быть оправдано для:

• уменьшения количества пыли;

• удаления продуктов обработки;

• охлаждения при отдельных операциях;

• глубокого сверления;

• улучшения стабильности определённых технологических процессов.

Важно другое: режим охлаждения должен быть предусмотрен технологией.

Например, при фрезеровании периодический нагрев и охлаждение режущей кромки способны создавать нежелательные термические нагрузки. Поэтому решение «польём немного, хуже не станет» в металлообработке иногда работает примерно с тем же успехом, что и техническая документация со словами «далее разобраться по месту».

Для стали применение СОЖ распространено значительно шире, поскольку помимо охлаждения она помогает уменьшать трение, улучшать стружкоудаление и снижать вероятность образования нароста на режущей кромке.

Что влияет на стоимость механической обработки

Цена определяется не только размерами детали или количеством килограммов металла, которое необходимо снять.

На трудоёмкость влияют:

• марка стали или чугуна;

• твёрдость заготовки;

• состояние поверхности;

• величина и равномерность припуска;

• конфигурация детали;

• количество установок;

• требования по допускам;

• шероховатость;

• глубина отверстий и полостей;

• наличие сложных резьб и пазов;

• необходимость специальной оснастки;

• стойкость режущего инструмента;

• термическая обработка;

• объём партии.

Именно поэтому две детали одинаковой массы и примерно одинаковых размеров могут иметь совершенно разную стоимость обработки.

Почему выгодно согласовывать литьё и мехобработку вместе

Наиболее интересная ситуация возникает, когда предприятие отвечает и за изготовление отливки, и за её последующую механическую обработку.

В этом случае можно ещё на стадии разработки литейной технологии учитывать:

• какие поверхности будут базовыми;

• где необходим припуск;

• какие участки можно получить литьём без последующего резания;

• как закреплять заготовку;

• в какой последовательности обрабатывать поверхности;

• нужна ли промежуточная термическая обработка;

• каким способом будет контролироваться готовая деталь.

Такой подход позволяет рассматривать не две отдельные задачи «сначала отлить, потом как-нибудь обработать», а единый технологический процесс получения готового изделия.

На заводе «Кубаньжелдормаш» можно заказать стальное литьё и чугунные отливки с последующей механической обработкой.

При комплексном заказе технология изготовления заготовки может сразу разрабатываться с учётом дальнейшего точения, фрезерования, растачивания и других операций.

Какие данные нужны для расчёта

Для предварительной технологической оценки желательно предоставить:

• чертёж детали;

• марку материала;

• массу или размеры заготовки;

• требования к точности;

• требования к шероховатости;

• сведения о термической обработке;

• объём партии;

• дополнительные технические требования.

Если требуется не обработать уже имеющуюся заготовку, а изготовить изделие полностью, можно заказать литьё и обработку деталей по чертежам.

В этом случае оценивается весь производственный маршрут: изготовление литой заготовки, подготовительные операции, термообработка при необходимости, механическая обработка и окончательный контроль.

Что важнее: материал или оборудование?

Для качественной мехобработки важны оба фактора, но выбор технологии начинается всё-таки с детали и материала.

Современный станок расширяет технологические возможности, позволяет автоматизировать переходы и обеспечивает повторяемость. Но он не превращает разные материалы в одинаковые.

СЧ20, ВЧ60, высокохромистый чугун и легированная сталь остаются четырьмя совершенно разными задачами для режущего инструмента даже тогда, когда на экране одной и той же стойки ЧПУ они выглядят просто как очередная программа.

Поэтому при механической обработке стальных и чугунных деталей по чертежам сначала учитывают геометрию детали, марку материала, допуски и требования к поверхностям, затем определяют технологический маршрут, оборудование, оснастку, инструмент и режимы резания.

Именно такой подход позволяет получить не просто поверхность после прохода резца или фрезы, а готовую деталь, соответствующую заданным размерам, допускам и условиям дальнейшей эксплуатации.