Понимание обрабатываемости: определение, значение и методы измерения

Что такое обрабатываемость?

Производственный процесс обработки резанием — универсальный и эффективный способ резки металлов и пластиков. Он позволяет создавать очень мелкие детали с тесными допусками и оказывается высокоэкономичным для изготовления прототипов и мелких партий деталей.

Однако обработка резанием не одинаково хорошо подходит для всех материалов. Поскольку процесс использует мощный вращающийся режущий инструмент для удаления слоев материала, материал должен быть достаточно мягким, чтобы инструмент мог в него проникать — иначе сам инструмент повредится, а качество детали ухудшится. Слишком мягкий материал, однако, будет нежелательно деформироваться при контакте с режущим инструментом, что приведет к деформации и непригодности деталей.

Легкость, с которой металл можно резать режущим инструментом, называется обрабатываемостью. Но поскольку на обрабатываемость металла влияет множество факторов, эту характеристику трудно количественно определить. В данной статье рассматриваются основы обрабатываемости: что это такое, какие материалы лучше всего поддаются обработке, как можно повысить обрабатываемость и как она измеряется.

Определение обрабатываемости

Обрабатываемость — это мера легкости или сложности, с которой материал можно резать режущим инструментом. Материал, который можно резать с минимальными затратами энергии, не вызывая деформации окружающих участков, обладает более высокой обрабатываемостью, чем тот, который требует больших усилий и вызывает сильную деформацию.

На практике использование материалов с хорошей обрабатываемостью приносит краткосрочные и долгосрочные преимущества. В краткосрочной перспективе это позволяет получать детали лучшего качества с тесными допусками, минимальной деформацией и хорошей чистотой поверхности. Такие детали также изготавливаются быстрее, чем детали из труднобрабатываемых материалов. В долгосрочной перспективе использование легкообрабатываемых материалов приводит к снижению износа инструмента и увеличению срока его службы, что в конечном счете экономит деньги станочным цехам.

Почему же механики не используют исключительно материалы с наивысшей обрабатываемостью? Проблема в том, что обрабатываемость часто идет в ущерб эксплуатационным свойствам материала, и наоборот. Прочные материалы обычно труднее резать, чем слабые, поэтому инженерам часто приходится искать компромисс между обрабатываемостью и производительностью.

Обрабатываемость данного материала зависит как от научных физических свойств группы материалов (из каких элементов он состоит), так и от состояния конкретного заготовки (как она была изготовлена). Физические свойства материала постоянны, но состояние заготовки может сильно варьироваться.

Физические свойства включают:

• Рабочее упрочнение
• Тепловое расширение
• Теплопроводность
• Модуль упругости

Факторы состояния включают:

• Микроструктуру
• Размер зерна
• Тепловую обработку
• Твердость
• Предел прочности на растяжение

Обрабатываемые материалы

Алюминий

Один из наиболее подходящих материалов для обработки, алюминий относительно недорог и выпускается в виде ряда распространенных сплавов. Сорт 6061 — стандартный рабочий класс для обработки, хотя менее распространенные сплавы, такие как алюминий 2011 и 8280, еще более обрабатываемы, дают очень мелкую стружку и отличную чистоту поверхности.

Сталь

Стали обычно труднее обрабатывать, чем алюминиевые сплавы, но марки с умеренным содержанием углерода, такие как нержавеющая сталь 303, обладают наилучшей обрабатываемостью (слишком много углерода делает сталь слишком твердой; слишком мало — и она становится вязкой). Использование свинца как добавки может повысить обрабатываемость стали, улучшая удаление стружки. Сера также может увеличить обрабатываемость стали.

Другие металлы

К другим обрабатываемым металлам относятся различные сплавы латуни, которые достаточно мягки, но имеют хорошую прочность на растяжение. Аналогично, медь обладает хорошим уровнем обрабатываемости наряду с такими характеристиками, как электрическая проводимость.

Пластики

Термопласты могут быть трудны для обработки, так как тепло, генерируемое режущим инструментом, может вызвать плавление пластика и его прилипание к инструменту. С учетом этого, к лучшим пластикам для обработки относятся ABS, нейлон, акрил и Делрин.

Повышение обрабатываемости материалов

Хотя у металлов фиксированные физические свойства, состояние заготовки можно изменить, чтобы сделать ее более обрабатываемой. В сплавы также можно вводить добавки для улучшения обрабатываемости.

• Добавки: Один из способов улучшить обрабатываемость данного материала — внедрить элементы других материалов, которые сделают его более поддающимся резанию. При обработке стали, например, добавление свинца и серы может облегчить резание заготовки.
• Тепловая обработка: Металлы часто подвергают нагреву и охлаждению для изменения их свойств, и термическая обработка может снизить твердость металла, чтобы облегчить его обработку. Отпуск никелевых сплавов, например, может привести к улучшению обрабатываемости.
• Внешние факторы: Обработку можно облегчить, не меняя сам материал заготовки. Например, регулировка материала режущего инструмента, скорости резания, угла резания, режимов резания и других параметров может облегчить резание труднобрабатываемого материала.

Как измеряется обрабатываемость

Поскольку на обрабатываемость материала влияет множество различных факторов, обрабатываемость можно считать размытым понятием, трудно поддающимся количественной оценке.

Однако инженеры и материаловеды пытались измерить обрабатываемость с помощью таких показателей, как потребляемая мощность (сколько энергии требуется для резания материала), срок службы режущего инструмента (как быстро инструмент изнашивается при резании материала) и чистота поверхности (гладкость получившейся резаной поверхности).

• Потребляемая мощность: Обрабатываемость можно оценить по силам, необходимым для резания материала, измеряемым с использованием стандартных энергетических метрик.
• Срок службы режущего инструмента: Обрабатываемость можно оценить, засекая время, в течение которого инструмент служит при резании данного материала.
• Чистота поверхности: Обрабатываемость можно оценить, фиксируя степень образования нароста на режущей кромке при обработке; высокообрабатываемые материалы не дают нароста.

К сожалению, ни один из этих методов не является полностью надежным, поскольку независимые факторы могут влиять на потребляемую мощность, износ режущего инструмента и чистоту поверхности.

Американский институт железа и стали (AISI) также разработал систему рейтингов обрабатываемости на основе токарных испытаний. Эти рейтинги, выраженные в процентах, относительны к обрабатываемости стали 160 Brinell B1112 (выбранной произвольно), которой присваивается рейтинг обрабатываемости 100%. Металлы с более высоким уровнем обрабатываемости, чем B1112, имеют рейтинг выше 100%, а те, у которых обрабатываемость хуже — ниже 100%.