Почему при обработке нержавейки инструмент изнашивается быстрее и как это улучшить?

С инженерной и технологической точки зрения срок службы инструмента при обработке нержавеющей стали значительно сокращается из-за сочетания её физических свойств и экстремальных термомеханических нагрузок, возникающих в процессе резания. Основными причинами являются высокая склонность к наклёпу, низкая теплопроводность, высокая вязкость и наличие твёрдых абразивных карбидов. Однако с помощью системного подхода к выбору инструмента, его геометрии и параметров обработки можно значительно улучшить как стойкость инструмента, так и эффективность процесса.

Основные причины короткого срока службы инструмента

Проблема кроется в металлургии нержавеющих сталей. Их аустенитная структура, обеспечивающая коррозионную стойкость, также вызывает выраженный эффект наклёпа. При срезании металла инструмент вызывает локальные напряжения, приводящие к фазовому превращению и упрочнению поверхности перед и позади зоны резания. Эта постоянно наклёпанная зона интенсивно истирает заднюю и переднюю поверхности инструмента. Кроме того, теплопроводность нержавеющих сталей составляет лишь около трети от теплопроводности углеродистых. Это приводит к концентрации экстремально высоких температур (часто свыше 1000 °C) в зоне контакта, ускоряя термическое размягчение, диффузионный износ и выкрашивание.

Дополнительно вязкость и пластичность материала способствуют образованию длинной, непрерывной стружки. Такая стружка может привариваться к режущей кромке (образуя нарост), который затем отрывается, унося с собой части покрытия. Для материалов типа нержавеющей стали SUS304 или SUS316 эти проблемы особенно актуальны. При обработке ещё более трудных сплавов, таких как Inconel 718, указанные эффекты усиливаются и требуют специальных стратегий.

Стратегии увеличения срока службы инструмента и эффективности обработки

1. Оптимальный выбор материала и покрытия инструмента

Первый шаг — подобрать инструментальный материал и покрытие, способные выдерживать высокие температуры и абразивное воздействие. Непокрытые или стандартные покрытия неприемлемы. Следует применять высококачественные субмикронные или ультрамелкозернистые твердосплавные основы с высокой вязкостью разрушения. Их необходимо сочетать с современными покрытиями PVD, такими как TiAlN (нитрид титана и алюминия) или AlCrN (нитрид алюминия и хрома). Эти покрытия создают твёрдый термостойкий барьер, уменьшают абразивный износ и отражают тепло в стружку. Для особо тяжёлых условий можно использовать керамические или CBN-инструменты, однако они требуют высокой жёсткости системы.

2. Оптимальная геометрия и подготовка режущей кромки

Геометрия инструмента имеет решающее значение для снижения сил резания и эффективного управления стружкой. Рекомендуется положительный передний угол, обеспечивающий чистое срезание металла с меньшим усилием и минимальным наклёпом. Острая, слегка притуплённая режущая кромка обязательна, однако при черновой обработке небольшая фаска (Т-образный уступ) или лёгкое притупление предотвращают микровыкрашивание. Очень важно наличие острых, полированных канавок у фрез или эффективных стружколомов у токарных пластин — это гарантирует плотное и контролируемое свёртывание стружки, эффективный отвод тепла и предотвращает повторное резание и налипание стружки на инструмент.

3. Грамотный выбор режимов резания

Параметры резания должны противодействовать особенностям материала. Вопреки интуиции, слишком низкая скорость может быть вреднее слишком высокой — она способствует наклёпу из-за длительного контакта инструмента с материалом. Необходимо поддерживать достаточно высокую скорость, чтобы обеспечить эффективное срезание, но при этом контролировать тепловыделение.

Наиболее важный параметр — подача. Следует поддерживать такую подачу на зуб, чтобы инструмент постоянно срезал металл ниже наклёпанного слоя от предыдущего прохода. «Щадящий» режим с малой подачей приведёт к быстрому разрушению, поскольку инструмент будет работать только в упрочнённой зоне. Постоянное, уверенное резание значительно эффективнее прерывистого лёгкого прохода.

4. Современные методы охлаждения и смазки

Из-за низкой теплопроводности удаление тепла является критически важным фактором. Для большинства операций фрезерования с ЧПУ и токарной обработки с ЧПУ нержавеющей стали применяется охлаждающая жидкость с высоким давлением и большим расходом. Она не только снижает температуру, но и помогает эффективно удалять стружку. Для особенно вязких сталей или глубоких отверстий, например при сверлении с ЧПУ, подача СОЖ через инструмент обеспечивает доставку смазки непосредственно в зону резания и облегчает дробление стружки. В некоторых случаях применение специальных масел или MQL-систем (минимальное количество смазки) с EP-добавками (экстремального давления) обеспечивает превосходную смазку, снижая трение и предотвращая нарост на режущей кромке.

5. Обеспечение жёсткости и стабильности системы

Любая вибрация или биение резко ускоряет износ инструмента при обработке нержавеющей стали из-за её склонности к наклёпу. Необходимы жёсткий станок, прочное крепление заготовки и короткие, массивные держатели инструмента. Это минимизирует прогиб, позволяет применять более агрессивные режимы и обеспечивает равномерный износ инструмента, предотвращая катастрофические поломки.