Обрабатываемость — это легкость, с которой металл можно резать ( обрабатывать ), что позволяет удалять материал с удовлетворительной отделкой при низких затратах. [1] Материалы с хорошей обрабатываемостью ( легкообрабатываемые материалы) требуют малой мощности для резки, их можно резать быстро, легко получать хорошую отделку и они не вызывают значительного износа инструмента . Факторы, которые обычно улучшают эксплуатационные характеристики материала, часто ухудшают его обрабатываемость , представляя собой значительную инженерную проблему.
Обрабатываемость может быть трудно предсказать из-за большого количества переменных, вовлеченных в процесс обработки. Два набора факторов - это состояние рабочих материалов и физические свойства рабочих материалов. [2] Состояние рабочего материала включает по крайней мере восемь факторов: микроструктура , размер зерна , термическая обработка , химический состав, изготовление, твердость , предел текучести и предел прочности на растяжение . [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 самых важных и часто используемых материалов в машиностроении. Автоматно обрабатываемые стали — это сплавы , в состав которых входят такие элементы, как сера и свинец , которые уменьшают размер стружки, образующейся в процессе обработки. [4] Автоматно обрабатываемые стали дороже стандартных сталей, но их стоимость компенсируется экономией на производственных расходах.
На обрабатываемость влияет множество факторов, но нет общепринятого способа ее количественной оценки. Вместо этого обрабатываемость часто оценивается в каждом конкретном случае, а испытания подбираются под нужды конкретного производственного процесса. Обычные показатели для сравнения включают срок службы инструмента, качество обработки поверхности, температуру резания, силы инструмента и энергопотребление. [5] [6]
Обрабатываемость может быть основана на измерении того, как долго служит инструмент. Это может быть полезно при сравнении материалов, которые имеют схожие свойства и энергопотребление, но один из них более абразивен и, таким образом, сокращает срок службы инструмента. Главным 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 для одного типа инструмента нельзя сравнивать с другим типом инструмента (например, инструмент HSS с твердосплавным инструментом). [6]
Силы, необходимые инструменту для резки материала, напрямую связаны с потребляемой мощностью. Поэтому силы инструмента часто указываются в единицах удельной энергии. Это приводит к методу оценки, где более высокие удельные энергии соответствуют более низкой обрабатываемости. Преимущество этого метода в том, что внешние факторы мало влияют на оценку. [6]
Отделка поверхности иногда используется для измерения обрабатываемости материала. Мягкие, пластичные материалы имеют тенденцию к образованию наростов на кромке . Нержавеющая сталь и другие материалы с высокой способностью к упрочнению деформацией также стремятся к образованию наростов на кромке. Алюминиевые сплавы, холоднодеформированные стали и легкообрабатываемые стали , а также материалы с высокой зоной сдвига не имеют тенденции к образованию наростов на кромке, поэтому эти материалы можно отнести к более обрабатываемым. [7]
Преимущество этого метода в том, что его легко измерить с помощью соответствующего оборудования. Недостатком этого критерия является то, что он часто не имеет значения. Например, при выполнении грубой резки качество поверхности не имеет значения. Кроме того, чистовая резка часто требует определенной точности, которая естественным образом обеспечивает хорошее качество поверхности. Этот метод оценки также не всегда согласуется с другими методами. Например, титановые сплавы будут оцениваться хорошо по методу качества поверхности, низко по методу срока службы инструмента и промежуточно по методу потребления энергии. [7] [8]
Рейтинг обрабатываемости материала пытается количественно оценить обрабатываемость различных материалов. Он выражается в процентах или нормализованном значении . Американский институт чугуна и стали (AISI) определил рейтинги обрабатываемости для широкого спектра материалов, проведя испытания на точении со скоростью 180 футов поверхности в минуту (sfpm). [9] Затем он произвольно присвоил стали B1112 с твердостью 160 по Бринеллю рейтинг обрабатываемости 100%. [9] Рейтинг обрабатываемости определяется путем измерения средневзвешенных значений нормальной скорости резания, чистоты поверхности и срока службы инструмента для каждого материала. [9] Обратите внимание, что материал с рейтингом обрабатываемости менее 100% будет сложнее обрабатывать, чем B1112, а материал со значением более 100% будет легче.
Рейтинг обрабатываемости = (Скорость обработки заготовки, обеспечивающая стойкость инструмента 60 мин)/(Скорость обработки стандартного металла)
Оценки обрабатываемости можно использовать в сочетании с уравнением срока службы инструмента Тейлора , , для определения скорости резания или срока службы инструмента. Известно, что B1112 имеет срок службы инструмента 60 минут при скорости резания 100 sfpm. Если материал имеет рейтинг обрабатываемости 70%, можно определить, используя известные выше данные, что для поддержания того же срока службы инструмента (60 минут) скорость резания должна быть 70 sfpm (при условии использования того же инструмента). [1]
Содержание углерода в стали сильно влияет на ее обрабатываемость. Высокоуглеродистые стали трудно обрабатывать, потому что они прочные и потому что они могут содержать карбиды, которые истирают режущий инструмент. С другой стороны, низкоуглеродистые стали вызывают проблемы, потому что они слишком мягкие. Низкоуглеродистые стали «липкие» и прилипают к режущему инструменту, что приводит к образованию нароста на кромке, который сокращает срок службы инструмента. Поэтому сталь имеет наилучшую обрабатываемость 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 химических веществ, как металлических, так и неметаллических, которые можно добавлять в сталь, чтобы облегчить ее резку. Эти добавки могут работать, смазывая интерфейс между инструментом и стружкой, уменьшая прочность материала на сдвиг или увеличивая хрупкость стружки. Исторически 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 стружке более свободно скользить мимо режущей кромки. Когда его добавляют в небольших количествах в сталь, он может значительно улучшить ее обрабатываемость, не оказывая существенного влияния на прочность стали.
Сера улучшает обрабатываемость стали, образуя включения с низкой прочностью на сдвиг в зоне резания. Эти включения являются концентраторами напряжений, которые ослабляют сталь, позволяя ей легче деформироваться.
Нержавеющие стали имеют плохую обрабатываемость по сравнению с обычной углеродистой сталью, поскольку они более жесткие, вязкие и имеют тенденцию к очень быстрому наклепу. [5] Небольшое закаливание стали может уменьшить ее вязкость и облегчить резку. Марки AISI 303 и 416 легче поддаются обработке 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]
Термопластики трудно поддаются обработке, поскольку обладают плохой теплопроводностью. [10] Это создает тепло, которое накапливается в зоне резания, что снижает срок службы инструмента и локально расплавляет пластик. После того, как пластик расплавляется, он просто обтекает режущую кромку, а не удаляется ею. Обрабатываемость можно улучшить, используя охлаждающую жидкость с высокой смазывающей способностью и не допуская скопления стружки в зоне резания.
Композитные материалы часто имеют наихудшую обрабатываемость, поскольку они сочетают в себе плохую теплопроводность пластиковой смолы с прочными или абразивными свойствами волокнистого материала (стекла, углерода и т. д.).
Обрабатываемость резины и других мягких материалов улучшается при использовании охлаждающей жидкости с очень низкой температурой, например, жидкого диоксида углерода. Низкие температуры охлаждают материал перед резкой, так что он не может деформироваться или прилипнуть к режущей кромке. Это означает меньший износ инструментов и более легкую обработку.
