Jak pisałem w artykule  Stal Hadfielda, stal więzienna, frezowanie wspomniany gatunek stali zalicza się do materiałów trudnoobrabialnych. Wynika to ze specyficznych właściwości austenitycznych stali wysokomanganowych (stali Hadfielda). Stale te posiadają bardzo wysoką wytrzymałość na rozciąganie (od 350 do 900 MPa), która wzrasta nawet do 2000 MPa czyli 2 GPa. Wzrost granicy wytrzymałości na rozciąganie jest silnie związany z procesem umacniania i twardnienia stali Hadfiedsa poddawanej odkształceniom.

Podczas próby rozciągania zaobserwowano, iż po rozciągnięciu do punktu zerwania materiał nie „zwężył się”. W najsłabszym punkcie nastąpiło zmniejszenie średnicy lecz nie miało miejsce rozerwanie próbki. Odkształcający się materiał powoduje jego umacnianie się, w tym znaczące zwiększenie twardości. Typowe wydłużenie może wynosić od 18 do 65%, w zależności zarówno od dokładnego składu stopu, jak i wcześniejszej obróbki cieplnej. Stopy o zawartości manganu od 12 do 30% są odporne na kruche działanie zimna, czasem na temperatury w zakresie -197 ° F (-127 ° C).

Dla porównania stale konstrukcyjne w zależności od gatunku stali mają granicę plastyczności od 185 do 345 MPa, a wydłużenie w zależności od 9 do 32%.

Powstawanie wióra

W omawianiu obróbki skrawaniem często stosuje się pojęcia przestrzeni obróbkowej obrabiarki jak i strefy skrawania. Strefa skrawania to przestrzeń oddziaływania narzędzia na przedmiot obrabiany. W obszarze tym warstwa skrawania staje się wiórem. W strefie skrawania mamy do czynienia ze złożonym stanem naprężeń i odkształceń, który zależy przede wszystkim od warunków skrawania.

W wyniku oddziaływania ostrza narzędzia skrawającego na warstwę skrawającą powstają jej sprężyste, a następnie plastyczne odkształcenia wzdłuż strefy ścinania. Przejście strefy ścinania zamienia warstwę skrawaną w wiór, który cechuje się strukturą ukierunkowana przez ścinanie. Wiór powstaje po przekroczeniu granicy plastyczności.

Z większymi odkształceniami niż w strefie skrawania mamy do czynienia w tzw. strefie wtórnego ścinania, która zlokalizowana jest na strefą zatarcia. Strefa ta związana jest z oddziaływaniem wióra na powierzchnię natarcia (duże siły normalne, wysoka temperatura). Podając za [3] połączenie wióra z powierzchnią narzędzia w strefie zatarcia jest bardzo silne. Materiał napierający powyżej jest przyczyną ścinania materiału wióra (strefa wtórnego ścinania).

Umacnianie się w wyniku nacisku (podczas obróbki) austenitycznych wysokomanganowych stali cechuje się wzrostem granicy plastyczności co powoduje, że obróbka tych stali jest bardzo trudna.

Prędkość skrawania – wartość minimalna

W trakcie rozważań postawiono tezę, że przy obróbce frezowaniem, narzędziem wieloostrzowym, przy odpowiedniej prędkości skrawania kolejne ostrza frezu będą zagłębiać się w materiał obrabiany na tyle szybko, że zmiany w mikrostrukturze stali Hadfielda nie zdołają zajść i tym samym stal nie zdoła się umocnić w stopniu uniemożliwiającym obróbkę. Postanowiono przeprowadzić serię obróbek rowków ze zmniejszającą się prędkością skrawania (tabela 1; ilustracja 1).

Ilustracja 1. Rowki na jednej z płytek ze stali Hadfielda. Zadziory zostały już usunięte.

Obróbki przeprowadzono jak poprzednio na frezarskim centrum obróbkowym CNC firmy GF Machining Solutions MILL P 500 UD. Narzędzie SANDVIK Coromant 2N342 1200 PC – frez o średnicy Ø12 oraz pięciu ostrzach. W obróbce nie stosowano żadnej metody chłodzenia. Na ilustracji 2 i 3 widać zadziory i wypływki przy wychodzeniu frezu z przedmiotu obrabianego.

Ilustracja 2. Zadziory powstałe podczas frezowania rowków w płytce ze stali Hadfielda.

Ilustracja 3. Przykład wypływek materiału przedmiotu obrabianego podczas wychodzenia frezu z materiału.

Na etapie planowania obróbki przyjęto, błędnie jak się później okazało, iż zostanie oszacowana tzw. minimalnej prędkość skrawania poniżej której obróbka nie będzie możliwa. Obróbkę rozpoczęto dla v_c=229 m/min – prędkość skrawania jaką zastosowano przy wstępnych próbnych obróbkach frezowaniem stali Hadfielda. Stopniowo wartość prędkości skrawania była zmniejszana aż do 19 m/min. Jednak jako końcową przyjęto v_c=29 m/min ze względu na niepełne dane z dodatkowych pomiarów dla v_c=19 m/min. Inne dobrane parametry obróbkowe to:

• posuw roboczy na ząb fz mm/ząb, który był stały dla wszystkich obróbek i wynosił 0,061 mm/ząb;
• prędkość obrotowa napędu głównego n zawierał się w zakresie od 6074 do 769 obr/min;
• grubość warstwy skrawanej a_p=1,5 mm.

Przedmiot obrabiany stanowiła płytka ze stali Hadfielda (X120Mn12) o wymiarach 200x100x10 (ilustracja 4).

Ilustracja 4. Przedmiot obrabiany (płytka ze stali Hadfielda) ustalona i zamocowana w uchwycie obróbkowym (imadle) na ww. frezarskim centrum obróbkowym CNC.

Oszacowanie minimalnej prędkości skrawania z założenia było uznaniowe gdyż precyzyjne określenie takiej prędkości skrawania nie jest możliwe. Umocnienie stali Hadfielda uniemożliwiające dalszą obróbkę oznacza wystąpienie znacznego obciążenia napędu głównego oraz napędów liniowych. Detekcja obciążenia i zdefiniowane w układzie sterowania CNC referencyjne granice obciążenia powodują zatrzymanie obróbki. Możliwe jest określenie minimalnej prędkość skrawania, przy której nadal możliwa jest obróbka.

Wnioski

Minimalna prędkość skrawania okazała się niemożliwa do określenia dla przyjętego w badaniach UOPN i dobranych parametrów obrókowych. Przy każdej ustawionej prędkości skrawania możliwe było frezowanie.  Obecnie trwają przygotowania próbek do badań krystalograficznych. Pomiary chropowatości (ilustracja 5) wykazały, iż istnieje zakres prędkości skrawania zapewniający mniejszą chropowatość. Wniosek ten jest zbieżny z [4].

Ilustracja 5. Wartość chropowatości powierzchni obrobionej w zależności od prędkości skrawania.

Źródła

1. Schwartz M., Encyclopedia of Materials, Parts and Finishes, page 392, CRC Press 2012
2. Šalak A., Selecká M., Manganese in Powder Metallurgy Steels, page 274, Cambridge International Science Publishing 2012
3. Jemielniak K., Obróbka skrawaniem, OWPW 1998
4. Zaleski K., Matuszak J., Badania porównawcze wpływu parametrów technologicznych frezowania wybranych stopów tytanu na moment skrawania i chropowatość obrobionej powierzchni,  ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI RZESZOWSKIEJ 295, Mechanika 89, RUTMech, t. XXXIV, z. 89 (4/17), październik-grudzień 2017, s. 563-572
5. AlfaTech – stale specjalne
6. X120MN12, 1.3401, A128 WYSOKOMANGANOWA, ODPORNA NA ŚCIERANIE – STAL HADFIELDA