Обрабатываемость металлов: ключевые факторы, методы улучшения и измерения

Легкость резания металла режущим инструментом называется обрабатываемостью. Трудно количественно оценить эту характеристику из-за множества влияющих факторов. Статья охватывает основы: определение, факторы, таблицу обрабатываемости, способы улучшения и измерения.

Что такое обрабатываемость?

Обрабатываемость — мера легкости резания материала (преимущественно металла) режущим инструментом с получением удовлетворительной чистоты поверхности. Материалы с хорошей обрабатываемостью требуют малой мощности резания, дают гладкую поверхность и минимальный износ инструмента. С плохой обрабатываемостью — более высокие силы резания, плохая чистота, быстрый износ инструмента. Поэтому обработка таких материалов дороже.

Американский институт железа и стали (AISI) установил рейтинг обрабатываемости 100% относительно стали B1112 твердостью 160 HB. Металлы с более высокой обрабатываемостью имеют рейтинг выше 100%, ниже — ниже 100%. Рейтинг определяется взвешенным средним от нормальной скорости резания, чистоты поверхности и срока службы инструмента для каждого материала.

Таблица обрабатываемости металлов

(Источник: cnclathing.com)

Факторы, влияющие на обрабатываемость металлов

1. Характеристики заготовки

Твердость металла:

Высокая твердость требует больше энергии, порождает высокие температуры, ускоряет износ инструмента — снижает обрабатываемость.

Химический состав:

При обработке чистых металлов силы резания и износ инструмента высоки. Добавки углерода, марганца, свинца, серы, фосфора в сталь улучшают обрабатываемость, производительность и чистоту поверхности.

Низкоуглеродистые стали (0,01–0,15% C) — плохая обрабатываемость из-за высокой вязкости и вязкости.

При 0,25–0,3% C — хорошая обрабатываемость.

1% Mn и 0,15% P улучшают обрабатываемость.

Сера и фосфор способствуют ломкости стружки.

Кремний, никель, хром, ванадий, молибден — ухудшают обрабатываемость.

Микроструктура:

Абразивные включения, неоднородная структура, крупные искаженные зерна — снижают обрабатываемость.

Обработка металлов:

Холоднодеформированная сталь — лучше обрабатываемость (больший срок инструмента, выше скорости резания).

Высокоуглеродистые стали улучшаются горячей деформацией.

Термическая обработка (нормализация, отжиг, отпуск) улучшает обрабатываемость.

2. Факторы, связанные с инструментом

• Материал режущего инструмента
• Геометрия инструмента
• Характеристики резания
• Жесткость инструмента

3. Условия резания

• Скорость резания
• Подача и глубина резания
• Температура резания
• Охлаждающая жидкость

4. Факторы, связанные со станком

Станки должны быть жесткими и прочными для лучшей обрабатываемости заготовки.

Улучшение обрабатываемости материалов

Хотя физические свойства металлов фиксированы, состояние заготовки можно изменить для облегчения обработки. Также можно добавлять легирующие элементы.

• Легирующие добавки: добавление свинца и серы в сталь облегчает резание.
• Термическая обработка: нагрев и охлаждение меняют свойства. Отжиг снижает твердость, облегчая обработку (например, для никелевых сплавов).
• Внешние факторы: облегчение резания без изменения материала — подбор материала инструмента, скорости резания, угла резанья, режимов.

Измерение обрабатываемости

Из-за множества факторов обрабатываемость — размытое понятие, трудно поддающееся количественной оценке.

Инженеры и ученые пытаются измерить её через метрики: потребляемая мощность (энергия на резание), срок службы инструмента (скорость износа), чистота поверхности (степень нарастающего налета — у высокообрабатываемых материалов его нет).

• Потребляемая мощность: оценка по силе резания, измеряемой стандартными энергетическими метриками.
• Срок службы инструмента: расчет времени работы инструмента при резании данного материала.
• Чистота поверхности: оценка по степени нарастающего налета.