Что такое обрабатываемость металлических материалов?

В области машиностроения механическая обработка встречается повсюду. Однако в реальных производственных условиях инженеры быстро понимают, что:«Обрабатываемый» не означает «легко поддающийся обработке».

При использовании одного и того же станка и идентичных параметров резания простая смена материала может привести к совершенно разным силам резания, сроку службы инструмента и качеству поверхности. Эта разница определяется обрабатываемостью материала.

С точки зрения инженерной практики, в данной статье систематически рассматривается концепция обрабатываемости металлов, распространенные методы оценки, основные влияющие факторы и проверенные стратегии улучшения в реальных производственных условиях.

1.0Почему обрабатываемость материалов заслуживает серьезного изучения?

Механическая обработка остается одним из наиболее распространенных методов обработки металла в современном производстве. Однако разные материалы ведут себя совершенно по-разному во время резки.

1.1Примеры различий в производительности при резке:

• Алюминиевые сплавы, медные сплавы: легкая резка, низкие силы резания, высокая эффективность;
• Легированные стали, нержавеющие стали, титановые сплавы, никелевые суперсплавы: высокие силы резания, концентрированный нагрев, быстрый износ инструмента, часто сопровождающиеся сколами кромки и вибрацией.

1.2Последствия недостаточного понимания обрабатываемости:

• Значительно сокращен срок службы инструмента;
• Постоянно низкая эффективность обработки;
• Нестабильное качество поверхности;
• Многократные пробные попытки в оптимизации параметров процесса.

Таким образом, понимание сути обрабатываемости и применение целенаправленных стратегий имеют основополагающее значение для повышения эффективности, контроля затрат и обеспечения стабильной производительности обработки.

2.0Что такое обрабатываемость металлических материалов?

Обрабатываемость металлического материала относится к степени сложности его обработки при заданных условиях резания и определенном требуемом сроке службы инструмента.

С инженерной точки зрения, материал с «хорошая обрабатываемость» обычно демонстрирует:

• Более высокие допустимые скорости резания при тех же условиях ресурса инструмента;
• Более низкие силы резания и температуры резания, а также более медленный износ инструмента;
• Стабильное качество поверхности, с легко разрушающимися стружками, которые можно контролируемым образом удалить.

И наоборот, если материал приводит к короткому сроку службы инструмента, высокому сопротивлению резанию, плохому качеству поверхности или трудностям с контролем стружки, его обычно считают обладающим плохой обрабатываемостью.

Следует подчеркнуть, что обрабатываемость является относительное понятиеЭто не является объективной оценкой того, является ли материал «хорошим» или «плохим».

3.0Как оценивается обрабатываемость?

3.1Общие показатели оценки инженерных проектов

В практических инженерных задачах обрабатываемость обычно оценивается с помощью комбинации показателей, включая:

• Срок службы инструмента;
• Допустимая скорость резки;
• Сила резания;
• Температура резки;
• Качество обработанной поверхности;
• Морфология чипа.

Среди них, Допустимая скорость резания при заданном сроке службы инструмента является наиболее часто используемым и наиболее актуальным в инженерной практике количественным показателем:

• В качестве эталонного значения для общих металлических материалов используется скорость резания при ресурсе инструмента T = 60 мин (vc₆₀);
• Для обработки труднообрабатываемых материалов часто используется скорость резания при ресурсе инструмента T = 20 мин (vc₂₀).

3.2Относительный индекс обрабатываемости Kr

Для облегчения сравнения различных материалов в инженерной практике широко используется относительный индекс обрабатываемости Kr:Kr = Скорость резания материала при T = 60 мин / Скорость резания стали AISI 1045 при T = 60 мин

В данном случае в качестве эталонного материала используется сталь AISI 1045 (170–229 HBS).

• Kr > 1: Обрабатываемость лучше, чем у стали 1045;
• Kr < 1: Обрабатываемость хуже, чем у стали 1045.

Этот индекс особенно полезен для выбора материалов и предварительного планирования технологических процессов в инженерных приложениях.

4.0Классификация обрабатываемости различных материалов (инженерный подход)

На основе относительного индекса обрабатываемости Kr в инженерной практике материалы обычно классифицируются по нескольким уровням, от «легко обрабатываемых» до «чрезвычайно трудно обрабатываемых». Эта классификация широко используется для быстрой оценки сложности обработки при выборе материала и планировании технологического процесса.

Широко распространенное правило гласит следующее:По мере увеличения прочности, пластичности или характеристик при высоких температурах обрабатываемость материала, как правило, значительно снижается.

Это объясняет, почему титановые сплавы и никелевые суперсплавы обладают превосходными механическими и термическими свойствами, но при этом чрезвычайно сложны в механической обработке.

5.0Какие свойства материала определяют обрабатываемость?

5.1Твердость и прочность

По мере увеличения твердости и прочности соответственно возрастает сопротивление сдвигу при резании, что приводит к увеличению сил резания, температуры резания и ускоренному износу инструмента.

Инженерный опыт показывает, что материалы с умеренной твердостью и однородной микроструктурой более благоприятны для стабильной обработки.

5.2Пластичность и прочность

• Чрезмерная пластичность: в процессе резания происходит сильная пластическая деформация, расширяющая площадь контакта инструмента со стружкой, увеличивающая трение и способствующая образованию наростов на режущей кромке;
• Избыточная жесткость: увеличивается энергопотребление при резке, и становится трудно измельчать стружку.

Оба условия значительно снижают обрабатываемость.

5.3Теплопроводность

Материалы с хорошей теплопроводностью способны эффективно рассеивать тепло, выделяемое при резке, через стружку и заготовку, снижая температуру в зоне резания и уменьшая термический износ инструмента.

Материалы с низкой теплопроводностью, такие как титановые сплавы, как правило, концентрируют тепло вблизи режущей кромки, ускоряя выход инструмента из строя.

5.4Модуль упругости

• Чрезмерно высокий модуль упругости: повышенное сопротивление резанию при удалении материала;
• Чрезмерно низкий модуль упругости: выраженное упругое восстановление после резки, увеличивающее трение между боковой поверхностью и обрабатываемой поверхностью.

Оба случая неблагоприятны для стабильности обработки.

6.0Как можно улучшить обрабатываемость материалов в инженерной практике?

6.1Улучшение обрабатываемости за счет термообработки.

Правильная термообработка может значительно повысить производительность обработки за счет изменения микроструктуры:

• Низкоуглеродистые стали: нормализация для измельчения зерна и снижения чрезмерной пластичности;
• Высокоуглеродистые стали: сфероидизирующий отжиг для снижения твердости и улучшения стружколомания;
• Чугун: отжиг перед механической обработкой для снятия внутренних напряжений и снижения твердости поверхности.

6.2Улучшение обрабатываемости за счет оптимизации химического состава.

В массовом производстве обрабатываемость часто улучшается за счет изменения состава сплавов:

• Добавление серы, фосфора, свинца или кальция в сталь может снизить сопротивление резанию и повысить легкость измельчения стружки;
• Оптимизация состава сплавов в цветных металлах позволяет измельчить зернистую структуру и улучшить стабильность при механической обработке.

6.3Стратегии оптимизации обработки типичных труднообрабатываемых материалов

Высокопрочные и сверхвысокопрочные материалы

Для этих материалов силы резания обычно на 201–301 Тл выше, чем у стали AISI 1045, что приводит к повышению температуры резания и быстрому износу инструмента.

В число инженерных стратегий входят:

• Выбор материалов для режущих инструментов с превосходной термостойкостью и износостойкостью;
• Уменьшение угла заточки или использование отрицательных углов заточки и увеличение радиуса закругления режущей кромки инструмента для повышения прочности кромки;
• По возможности, черновую обработку следует проводить в отожженном или нормализованном состоянии;
• Регулирование скорости резки должно быть разумным, а не чрезмерным стремлением к высокой скорости.

Материалы с высокой пластичностью и низкой твердостью

Такие материалы склонны к слипанию, холодной сварке и образованию наплавленных кромок, что приводит к нестабильному качеству поверхности.

К эффективным мерам относятся:

• Использование острых режущих кромок для уменьшения деформации при резке;
• Умеренное увеличение скорости резания во избежание образования зоны нароста на кромке;
• Применение соответствующих скоростей подачи для повышения эффективности измельчения стружки.

7.0Заключение: Обрабатываемость — это проблема системного проектирования.

Обрабатываемость металла определяется не одним фактором, а совокупным воздействием свойств материала, характеристик режущего инструмента и параметров обработки.

В инженерной практике:

• На материальном уровне: обрабатываемость может быть улучшена за счет термической обработки и оптимизации химического состава;
• На технологическом уровне: для обработки труднообрабатываемых материалов необходима систематическая оптимизация инструментов и параметров резания.

Только понимая причины сложности обработки материала, можно разработать действительно эффективные стратегии механической обработки, обеспечивающие сбалансированную оптимизацию эффективности, качества и стоимости.

8.0Часто задаваемые вопросы: Часто задаваемые вопросы о технологичности обработки металла

8.1В1: Является ли обрабатываемость эквивалентной твердости материала?

Нет. Твердость — лишь один из факторов, влияющих на обрабатываемость, и не является решающим показателем.

В реальных условиях механической обработки пластичность, прочность, теплопроводность, модуль упругости, а также трение и химическое сродство между материалом заготовки и режущим инструментом оказывают существенное влияние на поведение при резании. Например, титановые сплавы не обладают особенно высокой твердостью, но тем не менее считаются труднообрабатываемыми материалами из-за низкой теплопроводности и высокой химической активности.

8.2В2: Почему титановые сплавы обычно считаются труднообрабатываемыми материалами?

Плохая обрабатываемость титановых сплавов в основном обусловлена следующими факторами:

• Низкая теплопроводность: тепло, выделяемое при резке, плохо рассеивается, что приводит к локальному повышению температуры на кончике инструмента;
• Высокая химическая активность: сильная склонность к прилипанию к материалам инструмента, вызывающая адгезионный и диффузионный износ;
• Выраженное упругое восстановление: повышенное трение на боковой поверхности инструмента.

Эти факторы действуют совместно, в результате чего титановые сплавы подвержены быстрому износу инструмента, сколам кромок и нестабильным условиям обработки.

8.3Вопрос 3: Всегда ли нержавеющая сталь сложнее поддается механической обработке, чем углеродистая сталь?

Не обязательно. Обрабатываемость нержавеющей стали тесно связана с типом ее микроструктуры:

• Аустенитные нержавеющие стали: высокая пластичность и сильное упрочнение при деформации, что приводит к плохой обрабатываемости;
• Некоторые мартенситные нержавеющие стали: при соответствующих условиях термообработки обрабатываемость может приближаться к обрабатываемости среднеуглеродистых сталей или быть немного ниже нее;
• Легкообрабатываемые нержавеющие стали: марки, содержащие серу, хорошо зарекомендовали себя при автоматизированной и высокопроизводительной обработке.

Следовательно, нержавеющую сталь не следует рассматривать как материал, который одинаково трудно поддается механической обработке.

8.4Вопрос 4: Если обрабатываемость низкая, является ли снижение скорости резания единственным решением?

Нет. Простое снижение скорости резки часто лишь облегчает симптомы, а не устраняет первопричину.

К более эффективным подходам относятся:

• Выбор более подходящих материалов для режущего инструмента;
• Оптимизация геометрии инструмента: угол наклона передней кромки, прочность режущей кромки и радиус закругления передней части инструмента;
• Настройка сочетания параметров резки;
• Изменение условий термообработки заготовки при необходимости.

Во многих случаях соответствующее увеличение скорости резания может фактически помочь уменьшить образование наростов на кромке и улучшить качество поверхности.

8.5В5: Насколько существенно влияние термообработки на обрабатываемость?

Влияние существенное. Благодаря нормализации, отжигу или сфероидизирующему отжигу, термическая обработка может:

• Изменить микроструктуру материала;
• Снизьте усилия резания;
• Улучшить характеристики разрушения стружки;
• Значительно продлевает срок службы инструмента.

 

Ссылка

https://www.3erp.com/blog/what-is-machinability-and-how-is-it-measured/
https://elitemoldtech.com/what-is-machinability/ https://www.canadianmetalworking.com/canadianmetalworking/article/metalworking/understanding-machinability