Обрабатываемость — это легкость, с которой металл можно разрезать ( обработать ), что позволяет удалить материал с удовлетворительной отделкой при низких затратах. [ 1] Материалы с хорошей обрабатываемостью ( свободные обрабатываемые материалы) требуют мало энергии для резки, могут быть разрезаны быстро, легко получают хорошую отделку и не вызывают значительного износа инструментов . Факторы, которые обычно улучшают характеристики материала, часто ухудшают его обрабатываемость, что представляет собой серьезную инженерную проблему.
Обрабатываемость может быть трудно предсказать из-за большого количества переменных, участвующих в процессе обработки. Двумя группами факторов являются состояние рабочих материалов и физические свойства рабочих материалов. [2] Состояние рабочего материала включает как минимум восемь факторов: микроструктуру , размер зерна , термообработку , химический состав, изготовление, твердость , предел текучести и предел прочности . [3] Физические свойства — это свойства отдельных групп материалов, такие как модуль упругости , теплопроводность , тепловое расширение и деформационное упрочнение . [3] Другими важными факторами являются условия эксплуатации, материал и геометрия режущего инструмента, а также параметры конкретного выполняемого процесса обработки. [3]
Стали являются одними из наиболее важных и часто используемых материалов в машиностроении. Свободно обрабатываемые стали — это сплавы , в состав которых входят такие элементы, как сера и свинец , которые уменьшают размер стружки , образующейся в процессе механической обработки. [4] Стали для свободной механической обработки дороже, чем стандартные стали, но их стоимость компенсируется экономией на производственных затратах.
Существует множество факторов, влияющих на обрабатываемость, но общепринятого способа их количественной оценки не существует. Вместо этого обрабатываемость часто оценивается в каждом конкретном случае, а испытания адаптируются к потребностям конкретного производственного процесса. Общие показатели для сравнения включают стойкость инструмента, качество обработки поверхности, температуру резания, усилия инструмента и энергопотребление. [5] [6]
Обрабатываемость может быть основана на показателе срока службы инструмента. Это может быть полезно при сравнении материалов, которые имеют схожие свойства и энергопотребление, но являются более абразивными и, следовательно, уменьшают срок службы инструмента. Основным недостатком этого подхода является то, что срок службы инструмента зависит не только от материала, который он обрабатывает; Другие факторы включают материал режущего инструмента, геометрию режущего инструмента, состояние станка, зажим режущего инструмента, скорость резания, подачу и глубину резания. Кроме того, обрабатываемость одного типа инструмента нельзя сравнивать с другим типом инструмента (например, инструмент из быстрорежущей стали с твердосплавным инструментом). [6]
Усилия, необходимые инструменту для прорезания материала, напрямую связаны с потребляемой мощностью. Поэтому силы инструмента часто выражаются в единицах удельной энергии. Это приводит к использованию рейтингового метода, в котором более высокие удельные энергии равны более низкой обрабатываемости. Преимущество этого метода в том, что внешние факторы мало влияют на рейтинг. [6]
Качество поверхности иногда используется для измерения обрабатываемости материала. Мягкие, пластичные материалы имеют тенденцию образовывать наросты на краях . Нержавеющая сталь и другие материалы с высокой способностью к деформационному упрочнению также хотят образовывать наросты на кромке. Алюминиевые сплавы, холоднодеформированные стали и стали, подвергаемые механической обработке , а также материалы с высокой зоной сдвига не склонны к образованию наростов на кромках, поэтому эти материалы считаются более поддающимися механической обработке. [7]
Преимущество этого метода в том, что его легко измерить с помощью соответствующего оборудования. Недостатком этого критерия является то, что он зачастую неактуален. Например, при черновом резе обработка поверхности не имеет значения. Кроме того, чистовая резка часто требует определенной точности, которая, естественно, обеспечивает хорошее качество поверхности. Этот метод оценки также не всегда согласуется с другими методами. Например, титановые сплавы будут иметь хорошие оценки по методу обработки поверхности, низкие по методу стойкости инструмента и промежуточные по методу энергопотребления. [7] [8]
Оценка обрабатываемости материала позволяет количественно оценить обрабатываемость различных материалов. Он выражается в процентах или нормализованном значении . Американский институт железа и стали (AISI) определил показатели обрабатываемости для широкого спектра материалов, проведя испытания на токарную обработку со скоростью 180 футов в минуту (sfpm). [9] Затем он произвольно присвоил стали 160 Brinell B1112 рейтинг обрабатываемости 100%. [9] Класс обрабатываемости определяется путем измерения средневзвешенных значений нормальной скорости резания, качества поверхности и стойкости инструмента для каждого материала. [9] Обратите внимание, что материал с показателем обрабатываемости менее 100 % будет труднее обрабатывать, чем B1112, а материал со значением более 100 % будет легче обрабатывать.
Рейтинг обрабатываемости = (Скорость обработки заготовки, обеспечивающая стойкость инструмента 60 минут)/(Скорость обработки стандартного металла)
Показатели обрабатываемости можно использовать в сочетании с уравнением стойкости инструмента Тейлора , , чтобы определить скорости резания или стойкость инструмента. Известно, что срок службы инструмента B1112 составляет 60 минут при скорости резания 100 футов в минуту. Если материал имеет рейтинг обрабатываемости 70%, то, учитывая вышеизложенные известные данные, можно определить, что для поддержания того же срока службы инструмента (60 минут) скорость резания должна составлять 70 футов в минуту (при условии, что используется тот же инструмент). [1]
Содержание углерода в стали существенно влияет на ее обрабатываемость. Высокоуглеродистые стали трудно обрабатывать, поскольку они прочные и могут содержать карбиды, которые истирают режущий инструмент. На другом конце спектра низкоуглеродистые стали доставляют проблемы, поскольку они слишком мягкие. Низкоуглеродистые стали «клейкие» и прилипают к режущему инструменту, что приводит к образованию наростов на кромке, что сокращает срок службы инструмента. Поэтому лучшей обрабатываемостью обладает сталь со средним содержанием углерода, около 0,20%. [5]
Хром, молибден и другие легирующие металлы часто добавляют в сталь для повышения ее прочности. Однако большинство этих металлов также ухудшают обрабатываемость.
Включения в стали, особенно оксиды, могут привести к истиранию режущего инструмента. Обрабатываемая сталь не должна содержать этих оксидов.
Существует множество химикатов, как металлических, так и неметаллических, которые можно добавлять в сталь, чтобы облегчить ее резку. Эти добавки могут смазывать поверхность раздела инструмента и стружки, уменьшая прочность материала на сдвиг или увеличивая хрупкость стружки. Исторически сложилось так, что наиболее распространенными добавками были сера и свинец, но висмут и олово становятся все более популярными по экологическим причинам.
Свинец может улучшить обрабатываемость стали, поскольку он действует как внутренняя смазка в зоне резания. [10] Поскольку свинец имеет низкую прочность на сдвиг, он позволяет струже более свободно скользить по режущей кромке. Когда он добавляется в сталь в небольших количествах, он может значительно улучшить ее обрабатываемость, не оказывая при этом существенного влияния на прочность стали.
Сера улучшает обрабатываемость стали за счет образования включений с низкой прочностью на сдвиг в зоне резания. Эти включения являются источниками напряжений, которые ослабляют сталь, позволяя ей легче деформироваться.
Нержавеющие стали имеют плохую обрабатываемость по сравнению с обычной углеродистой сталью, поскольку они более прочные, липкие и имеют тенденцию очень быстро затвердевать. [5] Небольшая закалка стали может уменьшить ее липкость и облегчить резку. Марки AISI 303 и 416 легче обрабатывать из-за добавления серы и фосфора. [11]
Алюминий — гораздо более мягкий металл, чем сталь, и методы улучшения его обрабатываемости обычно основаны на том, чтобы сделать его более хрупким. Сплавы 2007, 2011 и 6020 имеют очень хорошую обрабатываемость. [11]
Термопласты трудно поддаются механической обработке, поскольку они имеют низкую теплопроводность. [10] Это создает тепло, которое накапливается в зоне резания, что снижает срок службы инструмента и локально плавит пластик. Когда пластик плавится, он просто обтекает режущую кромку, а не удаляется ею. Обрабатываемость можно улучшить, используя СОЖ с высокой смазывающей способностью и не допуская скопления стружки в зоне резания.
Композиты часто имеют худшую обрабатываемость, поскольку они сочетают в себе плохую теплопроводность пластиковой смолы с жесткими или абразивными свойствами волокнистого материала (стекла, углерода и т. д.).
Обрабатываемость резины и других мягких материалов улучшается за счет использования охлаждающей жидкости с очень низкой температурой, такой как жидкий диоксид углерода. Низкие температуры охлаждают материал перед резкой, чтобы он не мог деформироваться или прилипать к режущей кромке. Это означает меньший износ инструментов и более легкую обработку.
