Фрезерование нержавеющей стали и титана: наклёп, подача, геометрия фрезы, СОЖ и траектория

Почему они трудно режутся

Sandvik Coromant разделяет нержавеющие стали по обрабатываемости. Ферритные и мартенситные относятся к группе ISO P и режутся примерно как низколегированная сталь. Аустенитные и дуплексные — отдельная группа ISO M:

• Аустенитные (08Х18Н10, 12Х18Н10Т, AISI 304, 321, 316) — по условной шкале Sandvik обрабатываемость около 60 %. Наклёп даёт твёрдую поверхность и твёрдую стружку, отсюда износ проточиной по линии глубины резания. Стружка длинная и вязкая, тепла много.
• Дуплексные — около 30 %. По IMOA предел текучести у них примерно вдвое выше, чем у аустенитных сталей без азота, силы резания заметно больше, стружка прочная и абразивная.
• Мартенситные — по Sandvik склонны к наклёпу и дают очень большие силы в момент входа зуба. Рекомендация — правильная траектория с плавным входом, более высокая скорость, чтобы преодолеть наклёп, и более вязкий сплав с упрочнённой кромкой.

Титан (ISO S) Sandvik оценивает как материал с плохой обрабатываемостью — хуже сталей и нержавейки. Теплопроводность низкая, прочность сохраняется при нагреве, стружка тонкая и сильно сдвинутая, склонна к налипанию. При слишком высокой скорости стружка вступает в реакцию с материалом инструмента. Удельная сила резания — 1300–1400 Н/мм². Подробнее о марках — в статьях о нержавеющей стали и о титановых сплавах.

Наклёп: почему нельзя «гладить»

Каждый проход оставляет под поверхностью упрочнённый слой. Если следующий зуб срезает слой тоньше этого, он всё время работает в упрочнённом металле — и оставляет за собой новый наклёп. Кромка быстро тупится, а тупая кромка, по IMOA, даёт ещё более толстый наклёпанный слой. Круг замыкается.

Рекомендации IMOA для всех нержавеющих сталей:

• подача — достаточная, чтобы резать под наклёпанным слоем от прошлого прохода, обычно не меньше 0,076 мм;
• кромка — настолько острая, насколько позволяет прочность;
• радиус при вершине — не больше, чем нужно для стойкости;
• менять или перетачивать инструмент по графику, до того как он затупится;
• мощный жёсткий станок и жёсткое закрепление инструмента и детали.

Sandvik Coromant говорит о том же для чистового фрезерования аустенита: слишком малая подача на зуб повышает износ, потому что кромка режет в упрочнённой зоне. Для титана Harvey Performance советует держать подачу на зуб, избегать трения кромки без резания и не останавливать инструмент в контакте с деталью.

Фреза: сплав, покрытие, шаг

Нержавейка. IMOA рекомендует твёрдосплавные пластины с покрытием и положительной геометрией стружколома. Для монолитных фрез Harvey Performance советует на черновых проходах 4–5 зубьев, в пазах — 4 зуба ради отвода стружки, на чистовых — 5 зубьев и больше с углом наклона канавки больше 40°.

Титан. Sandvik Coromant для резания титана называет мелкозернистый твёрдый сплав без покрытия. В статье о титане компания советовала положительный передний угол, вязкую основу и твёрдое покрытие с хорошими антифрикционными свойствами, а на кромке — маленькую фаску или лёгкое скругление при сохранении остроты. Harvey для титана использует покрытие AlTiN, которое при высокой температуре образует оксидный слой. Кромка острая, но не хрупкая: прочность нужна, чтобы её не выкрошило.

Шаг зубьев. У фрезы с неравномерным шагом зубья расставлены по окружности неравномерно. По Sandvik это разбивает гармонические колебания и повышает устойчивость — особенно при большой ширине резания и большом вылете. Неравномерный шаг используют и монолитные фрезы для титана и нержавейки — например, серия Helical HVTI у Harvey.

Для корпусных фрез Sandvik различает крупный (L), частый (M) и особо частый (H) шаг. Частый — первый выбор для черновой обработки групп P, M и S в стабильных условиях, крупный — при нестабильных условиях, малой мощности или длинном вылете. Для жаропрочных и титановых сплавов Sandvik советует особо частый шаг и круглые пластины — они сильнее утоняют стружку.

Траектория: попутно, по дуге, без скачков

Основной способ — попутное фрезерование: зуб входит в металл с толстой стружкой и выходит с тонкой. Sandvik советует входить в металл по дуге (по часовой стрелке, то есть попутно): тогда толщина стружки на выходе зуба всегда нулевая, можно поднять подачу, и стойкость выше. Против часовой стрелки проблема толстой стружки не решается. В статье о титане та же мысль: входить по дуге, не тормозить в углах, программировать скругления траектории.

Для черновой выборки титана Sandvik прямо рекомендует трохоидальные траектории с постоянным углом контакта. Малая ширина резания даёт короткий контакт и меньше тепла, но включает утонение стружки — подачу на зуб пересчитывают. Как это делается, разобрано в статье «Трохоидальное и высокоскоростное фрезерование».

При торцевом фрезеровании аустенита IMOA рекомендует попутное фрезерование с подачей 0,10–0,25 мм на зуб, сильно положительным осевым передним углом и шириной резания от 1/2 до 3/4 диаметра фрезы. Главное на прерывистом резании — выбросить стружку из зоны, а не перерезать её повторно.

СОЖ: когда всухую, когда под давлением

Рекомендации для нержавейки и титана противоположны:

• Аустенит и дуплекс, пластины, черновая обработка. Sandvik советует работать всухую: температура кромки при прерывистом резании скачет, и СОЖ усиливает термические трещины. IMOA для чернового торцевого фрезерования тоже рекомендует обходиться без СОЖ. На чистовой обработке Sandvik предпочитает туман или минимальную смазку.
• Остальные операции по нержавейке. В общих рекомендациях IMOA — обильная подача СОЖ в зону резания; особенно полезны эмульсии с противозадирными (EP) присадками.
• Титан. Sandvik в статье о титане советовал много СОЖ, насос не меньше 500 psi (около 34 бар), концентрацию 10 % и выше и фильтрацию 25 мкм или тоньше. Harvey: много СОЖ под высоким давлением. Для жаропрочных и титановых сплавов Sandvik всегда предпочитает подачу через шпиндель и инструмент под давлением 70 бар, а не внешний полив низкого давления.

Какие бывают СОЖ и как их обслуживать — в статье «СОЖ: выбор и обслуживание».

Режимы: только диапазоны из каталогов

Цифры ниже — ориентиры для первого прохода. Рабочие значения берут из каталога конкретной фрезы или пластины для группы ISO M или S и уточняют по стружке и износу. Обороты и минутную подачу считают в калькуляторе режимов резания.

Для жаропрочных и титановых сплавов Sandvik ограничивает износ по задней поверхности 0,2 мм у фрез с углом в плане 90° и 0,3 мм у фрез с круглыми пластинами. Дальше износ растёт быстро, а на титане выкрашивание приходит внезапно — смену инструмента планируйте по времени, а не по отказу.