Понимание обрабатываемости:измерения и ключевые факторы

Начнем с основного вопроса, на который необходимо ответить:что такое обрабатываемость? Проще говоря, обрабатываемость — это легкость, с которой материал можно разрезать (обработать) для достижения желаемого качества детали. Под качеством детали здесь понимаются такие характеристики, как точность размеров, допуски и качество поверхности.

Обработка материалов с высокой обрабатываемостью обычно требует меньше времени и усилий, вызывает меньший износ инструмента и имеет лучшее качество поверхности. Понятно, что с точки зрения производства всегда предпочтительнее материалы с высокой обрабатываемостью. Однако это не всегда может соответствовать точке зрения дизайнера, который стремится к высокой прочности, производительности и термической стабильности, что не всегда справедливо для материалов, простых в обработке.

Это создает интересный компромисс между различными инженерными требованиями, о которых мы поговорим подробнее в этой статье.

Факторы, влияющие на обрабатываемость

При обсуждении обрабатываемости материалов учитываются многочисленные факторы. Они зависят от основных свойств материала, его постпроизводственной обработки и условий резки.

1. Свойства материала

Наиболее важным набором характеристик, влияющих на обрабатываемость, являются свойства материала. Поскольку каждый материал обладает уникальным набором свойств, инженеры должны понимать влияние каждого свойства на обрабатываемость, чтобы иметь возможность принимать обоснованные решения.

1.1 Твердость

Твердость является ключевым фактором, определяющим обрабатываемость материалов, поскольку она определяет, насколько трудно «разрезать» поверхность. Поскольку обрабатывающий инструмент в основном взаимодействует с поверхностью заготовки, твердость является важной характеристикой обрабатываемости.

Как правило, более твердые материалы, такие как инконель, требуют большей мощности для резки, поскольку инструмент должен прилагать более высокую силу. Кроме того, инструменты изнашиваются быстрее при обработке твердых материалов. Короче говоря, высокая твердость означает низкую обрабатываемость.

1.2 Прочность

Прочность является еще одним важным параметром при определении обрабатываемости. Материалы с высокой прочностью, такие как высокоуглеродистые стали, хорошо поглощают силы резания и противостоят деформации, поэтому требуют более высоких сил резания и более прочных инструментов.

Кроме того, из-за высокой пластичности прочных материалов образуется длинная, волокнистая стружка. Хотя это полезно для обеспечения плавности резания и эффективной теплопередачи, длинная стружка часто запутывается в инструменте, вызывая задержки резания и износ поверхности заготовки.

1.3 Теплопроводность

В процессе механической обработки выделяется тепло из-за сдвига материала. Поэтому управление температурным режимом на границе раздела резания очень важно для эффективных процессов резки. С точки зрения теплопередачи это сильно зависит от теплопроводности материала.

Труднообрабатываемые материалы обычно имеют низкую теплопроводность, а это означает, что тепловая энергия, генерируемая на границе раздела резания, не рассеивается быстро. Это вызывает ряд негативных последствий, таких как термическое размягчение заготовки и инструмента, снижение срока службы инструмента и точность размеров. Классическим примером такого материала является титан, у которого есть все эти проблемы.

Низкая теплопроводность также не позволяет использовать высокие скорости резания и подачи, поскольку выделяемое тепло не передается эффективно.

2. Условия резки

Обрабатываемость – это то, как материал ведет себя при резке. Следовательно, помимо свойств материала, условия резания также влияют на обрабатываемость материалов.

2.1 Параметры резки

Основными параметрами резания при механической обработке являются скорость резания, подача и глубина резания. Оптимизация всех трех из них выгодна с точки зрения производства, поскольку приводит к более высокой скорости съема материала. Однако это не всегда возможно.

Более высокие скорости резания обычно делают материалы менее обрабатываемыми из-за чрезмерного тепловыделения и трения, вызывающего износ инструмента. Однако в большинстве случаев это улучшает качество поверхности. В то же время увеличение подачи резания приводит к увеличению нагрузки на стружку и сил резания. Это может повредить инструмент и вызвать чрезмерную вибрацию.

Глубина резания также положительно связана с силами резания, энергопотреблением и выделением тепла. Это удары по инструменту и заготовке. Более того, большая глубина резания также отрицательно влияет на целостность поверхности, создавая механические и термические напряжения.

Кроме того, глубина резания также является основным фактором, влияющим на динамическую стабильность процессов резания. Увеличение этого значения сверх определенного предела может вызвать вибрацию, вредную для инструмента и машины.

2.2 Режущий инструмент

Фрезы с ЧПУ имеют сложные геометрические особенности, которые существенно влияют на обрабатываемость. Наиболее очевидным примером является передний угол (угол режущей кромки). Отрицательный передний угол снижает нагрузку при резании и улучшает стружкообразование, что является признаком высокой обрабатываемости. Однако это также делает инструмент слабее.

Аналогичным образом, еще одним фактором является угол зазора, который влияет на такие показатели обрабатываемости, как износ инструмента и рассеивание тепла.

2.3 Охлаждение и смазка

Станочники часто применяют охлаждающие и смазочные материалы на границе раздела инструмент-заготовка, чтобы улучшить обрабатываемость материалов. Они улучшают отвод тепла и улучшают фрикционные свойства материала, что приводит к более плавному резанию, улучшению качества поверхности и увеличению срока службы инструмента.

2.4 Состояние станка

Состояние станка с ЧПУ является еще одним фактором, определяющим обрабатываемость. У старых станков обычно имеется люфт в приводах осей, и они сильнее вибрируют при динамических нагрузках резания. Это усложняет обработку и делает станок неспособным обрабатывать труднообрабатываемые материалы.

Что такое рейтинг обрабатываемости?

Учитывая большое разнообразие обрабатываемых материалов в наборе инструментов инженера, может быть сложно сравнить их с точки зрения обрабатываемости. Одним из популярных методов оценки обрабатываемости материалов является оценка их обрабатываемости.

Стандартной особенностью рейтингов обрабатываемости является наличие эталонного материала для удобного сравнения. Например, одним из стандартных материалов является латунь C36000 со степенью обрабатываемости 100%. Поскольку материалы становится все труднее резать, их рейтинг снижается. Например, AISI 1018 имеет рейтинг 70 %, что указывает на среднюю обрабатываемость.

Почему важна диаграмма обрабатываемости?

Как правило, показатели обрабатываемости документируются в таблице обрабатываемости, которую можно найти в каждом станочном цехе с ЧПУ. Имея под рукой удобную диаграмму обрабатываемости, можно быстро и легко сравнить обрабатываемость по всему спектру конструкционных материалов.

Основная цель этой рейтинговой системы – поддержка инженерных решений. Инженерам-конструкторам это помогает понять любые производственные сложности, связанные с конкретным материалом, который они выбирают. Это полезно в практических ситуациях.

Например, если они выбирают труднообрабатываемый материал, они могут указать это на инженерном чертеже в специальном примечании или специально включить требования к шероховатости поверхности, чтобы машинист полностью понял замысел проекта. Для станочника это помогает при выборе инструментов, параметров резания и условий смазки/охлаждения.

Различные методы улучшения обрабатываемости

Механические цеха применяют несколько стратегий, чтобы сделать материалы более пригодными для механической обработки. Это дает ряд преимуществ, таких как более производительная механическая обработка, снижение затрат и общее повышение качества продукции.

Термическая обработка

Зависимость свойств материала от обрабатываемости подробно рассматривалась в предыдущих разделах. Поэтому, когда мы говорим об улучшении обрабатываемости, изменение свойств материала является первой идеей в списке действий.

Термическая обработка является эффективным методом улучшения обрабатываемости материалов. Например, распространенные материалы с ЧПУ, такие как сталь и алюминий, часто подвергаются отжигу, чтобы снизить их твердость, улучшить зернистую структуру и снять внутренние напряжения.

Добавки к материалам

Использование добавок к материалам является еще одним методом улучшения обрабатываемости. Основной темой является включение добавок в решетчатую структуру основного материала, чтобы сделать его механические свойства удобными для механической обработки.

Например, добавление цинка для образования медных сплавов, таких как латунь, значительно улучшает обрабатываемость чистой меди, позволяя снизить силы, трение и улучшить стружкообразование. Фактически, многие стандарты оценки обрабатываемости используют цинксодержащий медный сплав C36000 в качестве эталонного материала из-за его высокой обрабатываемости.

Смазочно-охлаждающая жидкость

Оптимизация условий резания, особенно применение охлаждающих/смазочных материалов, может значительно улучшить обрабатываемость. Использование таких добавок улучшает трибологические свойства на границе инструмента и детали, облегчая резку материала заготовки.

Смазочные материалы уменьшают трение и, как следствие, выделение тепла, уменьшая такие факторы, как износ инструмента и тепловые напряжения. Кроме того, это также позволяет станочникам использовать более агрессивные параметры резки, что приводит к более высокой скорости съема материала.

Охлаждающие жидкости улучшают свойства рассеивания тепла на границе раздела резания. Поскольку больше тепла эффективно передается от зоны резания, уменьшаются термические напряжения, неточности размеров и поломки инструмента.

Оптимизация параметров резки

Наконец, осознанный выбор параметров резания также может положительно повлиять на обрабатываемость материалов. В большинстве случаев уравнение простое. Более высокие скорости, подачи и глубина резания ухудшают обрабатываемость, и наоборот.

Однако бывают и нелогичные случаи, которые требуют от производителей четкого понимания основных принципов резки металла. Например, в случае нароста. Если станочники наблюдают высокую степень прилипания материала к пластинам инструмента, что отрицательно сказывается на сроке службы инструмента, небольшое увеличение скорости резания или подачи может быть полезным с точки зрения меньшего нароста на кромке и износа инструмента.

Как измеряется обрабатываемость?

Хотя не существует стандартного способа расчета обрабатываемости материала, существует несколько общепринятых систем. Большинство из них основаны на двух основных компонентах:наборе критериев для оценки обрабатываемости материалов и эталонном материале, по которому можно ранжировать другие материалы для удобства сравнения.

Срок службы режущего инструмента

Срок службы режущего инструмента является одним из наиболее практичных показателей обрабатываемости, поскольку он оказывает прямое влияние на производительность, качество и финансы. Принцип состоит в том, чтобы оценить обрабатываемость материалов с точки зрения того, как долго режущий инструмент можно использовать для обработки материала, прежде чем его потребуется заменить или перезаточить. Разумеется, при этом учитываются все другие факторы, например постоянная геометрии инструмента.

Понятно, что материалы с высокой обрабатываемостью не вызывают сильного износа инструмента и термических повреждений, поэтому срок службы инструмента длительный. С другой стороны, труднообрабатываемые материалы, такие как сталь, быстро изнашивают инструмент.

Один из методов математического измерения этого показателя — использование уравнения стойкости инструмента Тейлора:

Здесь Vc и T соответствуют скорости резания и стойкости инструмента соответственно. Остальные параметры относятся к условиям резания и материалу инструмента, которые остаются фиксированными для анализа обрабатываемости. Материалы, которые обеспечивают более высокие скорости резания при сохранении стойкости инструмента, аналогичной эталонному материалу, считаются более обрабатываемыми.

Отделка поверхности

Чистота поверхности — еще один распространенный параметр для измерения обрабатываемости. Это жизнеспособный параметр, поскольку любое изменение обрабатываемости в большинстве случаев напрямую отражается на изменении качества поверхности. Например, твердые материалы плохо обрабатываются и имеют шероховатую поверхность из-за сколов и трения.

Более того, измерение самой чистоты поверхности тоже весьма удобно. В основном это заметно машинистам. Кроме того, инженеры также могут использовать простые в использовании тестеры поверхности, чтобы быстро составить карту качества обработанной поверхности.

Энергопотребление

Обработка потребляет энергию из-за сил резания. Для резки труднообрабатываемых материалов требуется больше усилий. Поэтому они потребляют больше энергии. Для легко режущихся материалов ситуация обратная.

Из-за этой очень прямой зависимости между обрабатываемостью и энергопотреблением это популярный показатель обрабатываемости материалов.

Рейтинг обрабатываемости

Рейтинг обрабатываемости — это еще один способ измерения обрабатываемости материалов. Хотя это не такой научный метод, как другие методы, это очень практичный метод, который широко используется в механических цехах.

Распространенные материалы с ЧПУ и их обрабатываемость

Весь пул материалов для обработки на станках с ЧПУ слишком велик, чтобы его можно было перечислить. Поэтому в этом разделе мы представляем репрезентативную выборку материалов с ЧПУ и их относительные показатели обрабатываемости, чтобы дать общий обзор обрабатываемости материалов.

Категория материалаМатериалОбрабатываемость (%)МеталлыАвтономная латунь (C36000)100Алюминий (6061-T6)90-95Аустенитная нержавеющая сталь (AISI 304)30-40Титан (класс 5, Ti-6Al-4V)20-25ПластмассыПолиэтилен (HDPE)90Поликарбонат80Поливинилхлорид (ПВХ)70КомпозитыПолимер, армированный углеродным волокном40-50Полимер, армированный стекловолокном30-40КерамикаГлинозем (оксид алюминия)30Цирконий (диоксид циркония)15Органические материалыМягкая древесина (например, сосна)90Твердая древесина (например, дуб)70