Влияние различий металлических материалов на производительность резания

При металлообработке встречаются различные материалы заготовок, и у каждого из них свои особенности формирования и удаления стружки. Как понять характеристики разных материалов? Стандарт ISO делит металлические материалы на 6 групп, каждая из которых обладает уникальными свойствами в отношении обрабатываемости. В этой статье мы подробно рассмотрим каждую группу.

Шесть основных категорий металлических материалов:

• P — Сталь
• M — Нержавеющая сталь
• K — Чугун
• N — Цветные металлы
• S — Жароустойчивые сплавы
• H — Закаленная сталь

1. Группа P — Сталь

Что такое сталь?

Сталь — это самая обширная группа материалов в металлообработке.

Она может быть не закаленной или закаленной и отпущенной (твердость до 400 HB).

Сталь — это сплав с преобладанием железа (Fe), получаемый методом плавки.

Содержание углерода в незалегированной стали менее 0,8%, других легирующих элементов нет.

В легированной стали углерод до 1,7%, добавляются Ni, Cr, Mo, V, W и др.

Области применения:

Группа P — крупнейшая в металлообработке, охватывает множество отраслей промышленности.

Материал обычно дает длинную стружку, непрерывную и относительно однородную. Форма стружки зависит от содержания углерода:

• Низкое содержание углерода = вязкий, липкий материал.
• Высокое содержание углерода = хрупкий материал.

Характеристики обработки:

• Материал с длинной стружкой.
• Управление стружкой относительно простое и стабильное.
• Мягкая сталь липнет — требуются острые режущие кромки.
• Удельная сила резания kc: 1500–3100 Н/мм².
• Сила резания и мощность для материалов ISO P находятся в ограниченном диапазоне.

2. Группа M — Нержавеющая сталь

Что такое нержавеющая сталь?

Нержавеющая сталь — сплав с минимум 11–12% хрома.

Содержание углерода обычно очень низкое (до 0,01%).

Основные легирующие добавки: Ni (никель), Mo (молибден), Ti (титан).

На поверхности формируется плотный слой Cr₂O₃, обеспечивающий коррозионную стойкость.

Области применения:

Группа M широко используется в нефтегазовой отрасли, трубопроводной арматуре, фланцах, пищевой и фармацевтической промышленности.

Форма стружки: неправильные чешуйчатые стружки. Сила резания выше, чем у обычной стали. Стружеломность варьируется от легкой до практически невозможной в зависимости от сплава и тепловой обработки.

Характеристики обработки:

• Материал с длинной стружкой.
• Управление стружкой хорошее в ферритных сталях, сложное в аустенитных и дуплексных.
• Удельная сила резания: 1800–2850 Н/мм².
• Высокие силы резания, образование нароста, тепло и закалка при обработке.

3. Группа K — Чугун

Что такое чугун?

Существует три основных типа: серый чугун (GCI), высокопрочный чугун (NCI) и чугун с вермикулярным графитом (CGI).

Основной состав: Fe-C с высоким содержанием кремния (1–3%).

Содержание углерода превышает 2% (предел растворимости в аустените).

Добавки Cr, Mo, V образуют карбиды, повышают прочность и твердость, но ухудшают обрабатываемость.

Области применения:

Группа K — автодетали, станкостроение, литейное дело.

Форма стружки:

От порошкоподобной до длинной. Потребляемая мощность обычно невелика.

Примечание: Большая разница между серым чугуном (порошковые стружки) и высокопрочным (стружеломность как у стали).

Характеристики обработки:

• Материал с короткой стружкой.
• Хорошее управление стружкой во всех режимах.
• Удельная сила резания: 790–1350 Н/мм².
• При высоких скоростях — абразивный износ.
• Средние силы резания.

4. Группа N — Цветные металлы

Что такое цветные металлы?

Включает цветные и мягкие металлы с твердостью ниже 130 HB.

Сплавы алюминия с ~22% кремния составляют основную долю.

Медь, бронза, латунь.

Области применения:

Доминируют в авиастроении и производстве алюминиевых дисков для авто.

Хотя удельная мощность низка, для высокой производительности расчета требуется максимальная мощность.

Характеристики обработки:

• Материал с длинной стружкой.
• При легировании управление стружкой относительно простое.
• Алюминий липнет — нужны острые режущие кромки.
• Удельная сила резания: 350–700 Н/мм².
• Сила резания и мощность в ограниченном диапазоне.

5. Группа S — Жароустойчивые сплавы

Что такое жароустойчивые сплавы?

Включают высоколегированные железо-, никель-, кобальт- и титановые материалы.

Группы: на основе железа, никеля, кобальта.

Состояния: отжиг, термическая обработка, старение, прокатка, ковка, литье.

Чем выше содержание сплавов (особенно кобальта), тем лучше жаростойкость, вязкость и коррозионная стойкость.

Области применения:

Авиакосмическая отрасль, газовые турбины, генераторы. Широкий спектр, но обычно высокие силы резания.

Характеристики обработки:

• Материал с длинной стружкой.
• Сложное управление стружкой (зубчатые стружки).
• Для керамики — отрицательный угол резанья, для твердых сплавов — положительный.
• Удельная сила резания: жароустойчивые сплавы 2400–3100 Н/мм²; титановые сплавы 1300–1400 Н/мм².
• Высокие силы резания и потребляемая мощность.

6. Группа H — Закаленная сталь

Что такое закаленная сталь?

С точки зрения обработки — наименьшая группа.

Содержит закаленные и отпущенные стали с твердостью >45–65 HRC.

Типичная твердость обрабатываемых деталей: 55–68 HRC.

Области применения:

Автопром, подрядчики, станкостроение, инструментостроение.

Форма стружки:

Обычно непрерывная, раскаленная до красноты. Высокая температура снижает kc1 и помогает решать технологические задачи.

Характеристики обработки:

• Материал с длинной стружкой.
• Относительно хорошее управление стружкой.
• Требуется отрицательный угол резанья.
• Удельная сила резания: 2550–4870 Н/мм².
• Высокие силы резания и потребляемая мощность.