Понимание обрабатываемости: Измерения и ключевые факторы

Начнем с основного вопроса: что такое обрабатываемость? Простыми словами, обрабатываемость — это легкость, с которой материал можно резать (обрабатывать) для достижения желаемого качества детали. Качество детали здесь относится к таким характеристикам, как размерная точность, допуски и шероховатость поверхности.

Материалы с высокой обрабатываемостью обычно требуют меньше времени и энергии для обработки, вызывают меньший износ инструмента и имеют лучшее качество поверхности. Понятно, что с производственной точки зрения материалы с высокой обрабатываемостью всегда предпочтительны. Однако это не всегда соответствует перспективе проектировщика, который ищет высокую прочность, производительность и термическую стабильность, чего не всегда свойственно легкообрабатываемым материалам.

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

Факторы, влияющие на обрабатываемость

Многочисленные факторы вступают в игру при обсуждении обрабатываемости материалов. Они исходят из основных свойств материала, его постпроизводственных обработок и условий резания.

1. Свойства материала

Наиболее важный набор характеристик, влияющих на обрабатываемость, — это свойства материала. Поскольку у каждого материала уникальный набор свойств, инженеры должны понимать влияние каждого свойства на обрабатываемость, чтобы принимать обоснованные решения.

1.1 Твердость

Твердость — ключевой фактор в определении обрабатываемости материалов, поскольку она определяет, насколько трудно «резать» поверхность. Поскольку режущий инструмент в основном взаимодействует с поверхностью заготовки, твердость является важной характеристикой обрабатываемости.

Обычно более твердые материалы, такие как Инконель, требуют больше мощности для резания, так как инструмент должен прикладывать более высокую силу. Кроме того, инструменты быстрее изнашиваются при обработке твердых материалов. Короче говоря, высокая твердость означает низкую обрабатываемость.

1.2 Вязкость

Вязкость — еще один критический параметр в определении обрабатываемости. Материалы с высокой вязкостью, как высокоуглеродистые стали, хорошо поглощают силы резания и сопротивляются деформации, требуя более высоких сил резания и более долговечной оснастки.

Кроме того, вязкие материалы производят длинные нитеобразные стружки из-за своей высокой пластичности. Хотя это хорошо для поддержания плавного процесса резания и эффективной теплопередачи, длинные стружки часто запутываются с инструментом, вызывая задержки резания и износ поверхности заготовки.

1.3 Теплопроводность

Процессы обработки генерируют тепло из-за сдвига материала. Поэтому термическое управление в зоне резания очень важно для эффективных процессов резания. В терминах теплопередачи это во многом зависит от теплопроводности материала.

Труднообрабатываемые материалы обычно имеют низкую теплопроводность, что означает, что тепловая энергия, генерируемая в зоне резания, не рассеивается быстро. Это вызывает несколько негативных эффектов, таких как термическое размягчение заготовки и инструмента, снижение ресурса инструмента и размерной точности. Классическим примером такого материала является Титан, который имеет все эти проблемы.

Низкая теплопроводность также препятствует использованию высоких скоростей резания и подач, так как выделяемое тепло не эффективно уходит.

2. Условия резания

Обрабатываемость — это то, как материал ведет себя при резании. Поэтому, помимо свойств материала, условия резания также влияют на обрабатываемость материалов.

2.1 Параметры резания

Основными параметрами резания при обработке являются скорость резания, подача и глубина резания. Оптимизация всех трех полезна с производственной точки зрения, так как она приводит к более высокой скорости удаления материала. Однако это не всегда возможно.

Более высокие скорости резания обычно делают материалы менее обрабатываемыми из-за чрезмерного выделения тепла и трения, вызывающего износ инструмента. Однако это в большинстве случаев улучшает качество поверхности. В то же время увеличение подачи резания приводит к более высоким нагрузкам на стружку и силам резания. Это может повредить инструмент и вызвать чрезмерные вибрации.

Глубина резания также положительно связана с силами резания, потреблением энергии и выделением тепла. Это воздействия на инструмент и заготовку. Кроме того, большая глубина резания также негативно влияет на целостность поверхности, создавая механические и термические напряжения.

Кроме того, глубина резания также является основным вкладчиком в динамическую стабильность процессов резания. Увеличение ее за определенный предел может вызвать колебательные вибрации (трепетание), которые вредны для инструмента и станка.

2.2 Режущий инструмент

ЧПУ-резаки имеют сложные геометрические особенности, существенно влияющие на обрабатываемость. Наиболее очевидный пример — это угол наклона (угол режущего ребра). Отрицательный угол наклона снижает нагрузки на резание и улучшает формирование стружки, что являются признаками высокой обрабатываемости. Однако это также делает инструмент слабее.

Аналогично, еще одним фактором является задний угол, который влияет на индикаторы обрабатываемости, такие как износ инструмента и рассеивание тепла.

2.3 Охлаждение и смазка

Станочники часто наносят СОЖ и смазочные материалы на интерфейс инструмент-заготовку для улучшения обрабатываемости материалов. Они улучшают отвод тепла и трение свойств материала, ведущие к более плавному действию резания, лучшему качеству поверхности и более высокому ресурсу инструмента.

2.4 Состояние станка

Состояние станка с ЧПУ — еще один фактор, определяющий обрабатываемость. Старые станки обычно имеют люфты в приводах осей и вибрируют больше под динамическими нагрузками резания. Это затрудняет обработку, делая станок неспособным обрабатывать труднообрабатываемые материалы.

Что такое рейтинг обрабатываемости?

С большим разнообразием обрабатываемых материалов в арсенале инженера, может быть сложно сравнивать их по обрабатываемости. Один из популярных методов оценки обрабатываемости материалов — через их рейтинг обрабатываемости.

Стандартной особенностью рейтингов обрабатываемости является наличие эталонного материала для удобного сравнения. Например, одним из стандартных материалов является латунь C36000 с рейтингом обрабатываемости 100%. По мере того как материалы становятся труднее к резанию, их соответствующий рейтинг снижается. Например, АИСИ 1018 имеет рейтинг 70%, указывающий на среднюю обрабатываемость.

Почему таблица обрабатываемости важна?

Обычно рейтинги обрабатываемости документируются в таблице обрабатываемости, которую можно найти в каждом цехе ЧПУ. С удобной для навигации таблицей обрабатываемости в руках быстро и легко сравнить обрабатываемость по всему спектру инженерных материалов.

Главная цель этой системы рейтинга — поддержка инженерных решений. Для конструктора она помогает понять любые производственные сложности для конкретного материала, который они выбирают. Это полезно в практических ситуациях.

Например, если они выбирают труднообрабатываемый материал, они могут указать это в инженерном чертеже через специальное примечание или специально включить требование к шероховатости поверхности, чтобы убедиться, что станочник полностью понимает замысел проектировщика. Для станочника это помогает с выбором инструментов, параметров резания и условий охлаждения/смазки.

Различные методы улучшения обрабатываемости

Цехи обработки принимают несколько стратегий для повышения обрабатываемости материалов. Это несет несколько преимуществ, таких как более продуктивная обработка, более низкие затраты и общее более высокое качество продуктов.

Тепловая обработка

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

Тепловая обработка — эффективный метод повышения обрабатываемости материалов. Например, распространенные материалы для ЧПУ, такие как сталь и алюминий, часто отжигают для снижения их твердости, уточнения структуры зерен и снятия внутренних напряжений.

Материальные добавки

Использование материальных добавок — еще один метод улучшения обрабатываемости. Основная тема — включить материальные добавки в кристаллическую решетку базового материала, чтобы сделать его механические свойства дружелюбными к обработке.

Например, добавление цинка для формирования медных сплавов, таких как латунь, кардинально улучшает обрабатываемость чистой меди, позволяя снизить силы, трение и улучшить формирование стружки. Фактически, многие стандарты рейтингов обрабатываемости используют цинконосный медный сплав C36000 как эталонный материал из-за его высокой обрабатываемости.

СОЖ/Смазка

Оптимизация условий резания, особенно применение СОЖ/смазки, может заметно улучшить обрабатываемость. Использование таких агентов улучшает трибологические свойства на интерфейсе инструмент-заготовку, делая материал заготовки легче к резанию.

Смазки снижают трение и последующее выделение тепла, уменьшая такие факторы, как износ инструмента и термические напряжения. Кроме того, это также позволяет станочникам использовать более агрессивные параметры резания, приводя к более высокой скорости удаления материала.

СОЖ улучшают свойства рассеивания тепла в зоне резания. С большим количеством тепла, эффективно уводимого от зоны резания, возникают более низкие термические напряжения, размерные неточности и поломки инструмента.

Оптимизация параметров резания

Наконец, обоснованный выбор параметров резания также может положительно повлиять на обрабатываемость материалов. Большую часть времени уравнение простое. Более высокие скорости, подачи и глубины резания снижают обрабатываемость, и наоборот.

Однако существуют и контринтуитивные случаи, которые требуют от производителей сильного понимания основных принципов металлорезанья. Случай нарастающего кромки (BUE), например. Если станочники наблюдают высокую скорость адгезии материала на своих режущих пластинах, что плохо для ресурса инструмента, небольшое увеличение скорости резания или подачи может быть полезным в терминах меньшего нарастающего кромки и износа инструмента.

Как измеряется обрабатываемость?

Хотя нет стандартного способа расчета обрабатываемости материала, есть несколько общепринятых систем. Большинство из них опираются на два основных компонента: наличие набора критериев для оценки обрабатываемости материалов и эталонного материала для ранжирования других материалов для удобства сравнения.

Срок службы режущего инструмента

Срок службы режущего инструмента — одна из самых практичных мер обрабатываемости, поскольку она напрямую влияет на производительность, качество и финансы. Принцип заключается в оценке обрабатываемости материалов в терминах того, как долго режущий инструмент пригоден для использования на материале до того, как ему понадобится замена или заточка. Это, конечно, при условии, что все другие факторы, такие как геометрия инструмента, остаются постоянными.

Понятно, что материалы с высокой обрабатываемостью не вызывают высокого износа инструмента и термического повреждения, поэтому срок службы инструмента долог. С другой стороны, труднообрабатываемые материалы, такие как сталь, быстро изнашивают инструмент.

Один из методов математического измерения этого — использование уравнения Тейлора для срока службы инструмента:

Здесь Vc и T соответствуют скорости резания и сроку службы инструмента соответственно. Другие параметры относятся к условиям резания и материалу инструмента, которые остаются фиксированными для анализов обрабатываемости. Материалы, позволяющие более высокие скорости резания при сохранении аналогичного срока службы инструмента как у эталонного материала, считаются более обрабатываемыми.

Шероховатость поверхности

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

Кроме того, измерение шероховатости поверхности также довольно удобно. В основном она визуально наблюдается станочниками. Кроме того, инженеры могут также использовать простые в использовании профилометры для быстрого картирования шероховатости обработанной поверхности.

Потребление энергии

Обработка потребляет энергию из-за сил резания. Труднообрабатываемые материалы требуют больше силы для резания. Поэтому они потребляют больше энергии. Для легкообрабатываемых материалов ситуация обратная.

Из-за этой очень прямой связи между обрабатываемостью и потреблением энергии, это популярная мера обрабатываемости материалов.

Рейтинг обрабатываемости

Рейтинг обрабатываемости — еще один способ измерения обрабатываемости материалов. Хотя не такой научный, как другие методы, это очень практический метод, широко используемый в цехах обработки.

Распространенные материалы для ЧПУ и их обрабатываемость

Весь пул материалов для ЧПУ слишком велик для перечисления. Поэтому в этом разделе мы приводим репрезентативную выборку материалов для ЧПУ и их относительные рейтинги обрабатываемости, чтобы дать общее представление об обрабатываемости материалов.