Каким свойством относится обрабатываемость резанием
Показатели обрабатываемости резанием
При обработке резанием от заготовки отделяется (срезается) часть материала, превращающаяся в стружку, в результате чего заготовка приобретает требуемую форму, размеры и качество поверхности.
Обработка резанием – важнейшая технология формообразующей обработки. Высокопроизводительные и малоотходные технологии – литье, обработка давлением, сварка – в большинстве случаев не обеспечивают требуемую точность деталей. Изделия, полученные такими методами, – отливки, поковки, сварные детали, а также сортовой прокат – это заготовки для обработки резанием, которая является окончательной. Только обработкой резанием удается получить детали высокой точности, с допусками на размеры, составляющими тысячные доли миллиметра, а также обеспечить высокое качество (малую шероховатость) обработанной поверхности.
В зависимости от типа используемого инструмента различают лезвийную и абразивную обработку резанием. Инструмент, которым осуществляют лезвийную обработку (резцы, сверла, фрезы и др.), имеет режущую кромку определенной геометрической формы. Он может иметь одну или несколько режущих кромок (например, у фрезы). При абразивной обработке резание осуществляется очень большим количеством хаотически расположенных в абразивном инструменте зерен, каждое из которых имеет свою режущую кромку.
Обработка лезвийным инструментом. Обрабатываемость резанием – это комплексная характеристика материала, которую оценивают рядом показателей:
- – производительностью обработки;
- – качеством обработанной поверхности;
- – видом образующейся стружки.
В зависимости от конкретных условий решающим может оказаться любой из критериев. Например, в условиях автоматизированного производства важнейшим является вопрос стружкообразования – стружка должна легко удаляться из зоны резания, т.е. это должна быть стружка надлома, а не сливная.
Наиболее распространена оценка обрабатываемости материала по производительности обработки. Она определяется скоростью резания, при которой достигается заранее заданная стойкость инструмента. Используют критерий V60 – это скорость резания [м/мин], при которой достигается 60-минутная стойкость режущего инструмента до регламентируемого износа. Для труднообрабатываемых материалов период стойкости инструмента может быть снижен – V30 или даже V15.
Критерий V60 является абсолютным показателем обрабатываемости. Его значения могут изменяться. Результаты испытаний резанием, проведенных в разное время для определения V60, могут отличаться из-за разных свойств стали и инструмента (неодинаковая заточка). Поэтому часто используют относительный показатель обрабатываемости – ΚV, равный соотношению скоростей V60 исследуемой и эталонной стали: KV = V60иссл/V60эт. В качестве эталонной часто используют сталь 45 с твердостью 180…200 ПВ, ее обрабатываемость принимается за единицу. В этом случае показатели обрабатываемости отличаются большей объективностью.
Производительность обработки (V60) тем ниже, чем выше твердость и прочность обрабатываемого материала. Кроме того, обрабатываемость зависит от структуры: наличие твердых частиц снижает обрабатываемость (так, увеличение содержания углерода приводит к росту количества твердых карбидов в структуре, обрабатываемость стали при этом понижается).
Однако при очень низкой твердости материала обрабатываемость также понижается. Вследствие высокой пластичности обрабатываемый материал налипает на режущий инструмент, образуется нарост, что приводит к потере стойкости инструмента и снижению качества обработанной поверхности.
Обрабатываемость материалов с малой теплопроводностью более низкая из-за худшего отвода тепла в обрабатываемую деталь, это приводит к большему нагреву инструмента, т.е. к его ускоренному разупрочнению и износу. При прочих равных условиях легированные стали, обладающие более низкой теплопроводностью, обрабатываются хуже, чем углеродистые.
Шероховатость оценивается прямыми измерениями высоты микронеровностей обработанной поверхности на профилометрах или профилографах. Она зависит главным образом от твердости материала – более высокая твердость обеспечивает меньшую шероховатость, т.е. лучшее качество поверхности. Например, трудно получить малую шероховатость при обработке низкоуглеродистых сталей, алюминиевых сплавов – материалов, обладающих малой твердостью и высокой пластичностью.
Стружка надлома (“сыпучая“) в отличие от непрерывной (сливной) лучшим образом отводится из зоны резания. При резании сыпучая стружка образуется, если в структуре присутствует фаза, обладающая малой прочностью (например, графит в чугуне). Частицы такой фазы нарушают сплошность металла и способствуют дроблению стружки.
Обработка абразивным инструментом. Наиболее распространенная обработка – шлифование. Обрабатываемость шлифованием по производительности обработки оценивается коэффициентом шлифуемости – Кш, равным соотношению снятого металла и израсходованного абразивного материала (по массе или объему). Так же как при лезвийной обработке, этот показатель может быть абсолютным или относительным. Например, для быстрорежущих сталей в качестве эталона используют сталь Р18, шлифуемость которой принимают за единицу.
Источник
Чтобы добиться высокого качества обработки, обеспечив при этом экономичность и высокую производительность резания, следует глубоко изучить и понять сущность физико-химических явлений, происходящих при обработке наружных и внутренних поверхностей заготовки. Только в этом случае можно разработать наиболее эффективную технологическую схему обработки детали.
Схематически процесс резания можно представить в виде последовательных стадий деформирования поверхности заготовки при воздействии режущих кромок инструмента:
- упругое (первоначальным нажатием резца);
- пластическое (при формировании стружки);
- разрушение материала в зоне резания с последующим отделением стружки.
В ходе обработки заготовок резанием в результате снятия определенного поверхностного слоя, в соответствии с заданными припусками на обработку, происходят процессы, сопряженные:
- с обильным теплообразованием;
- деформированием и усадкой снимаемого слоя (стружки);
- наростообразованием и наклепом на поверхности инструмента;
- износом поверхностей и режущих кромок инструмента и др.
Изучение всего многообразия явлений, происходящих при резании материалов, показывает, что для достижения оптимальных параметров обработки, следует учитывать наличие основных составляющих, оказывающих влияние на ход процесса, таких как:
- структура и вид материала, из которого изготовлена заготовка;
- особенности инструмента;
- способы и условия обработки.
Факторы, характеризующие обрабатываемость металлов
Между процессами, происходящими при обработке металлов резанием, существует определенная взаимосвязь, зависящая от качественных характеристик инструментов и материалов, подлежащих обработке. В этой связи используется понятие обрабатываемости материалов (их способность в той или иной степени поддаваться обработке), которая определяется в ходе специальных исследований. Результаты проведенных исследований сверяются с характеристиками эталона – стали 45. Полученные технические характеристики определенного материала затем используются при определении технологии его обработки.
Известно, что обрабатываемость материалов характеризуется следующими факторами:
- величиной сил резания, воздействующих на заготовку в процессе обработки, которая измеряется в сравнении с величиной сил, действующих при обработке эталонного материала при равных условиях;
- сравнительной (по отношению к мощности, необходимой на обработку эталона) эффективной мощностью;
- особенностями деформации снимаемого слоя при обработке заготовки;
- образованием или отсутствием наростов и выемок на поверхностях инструментов;
- шероховатостью (среднее арифметическое высоты микронеровностей поверхности на шаг длины);
- стойкостью инструмента – скоростью его износа по отношению к скорости износа эталонного инструмента;
- остаточными внутренними напряжениями, появляющимися и сохраняющимися в материале заготовки из-за неравномерных деформаций и теплообразования в структуре обрабатываемого материала;
- количеством теплоты при формировании слоев стружки, силами трения, перераспределением тепла на поверхностях участников процесса обработки;
- формированием стружки, вариантами, используемыми для отведения стружки и защиты от ее распространения в зоне работ;
- затратами энергии на отделение единицы массы стружки.
Все указанные факторы определяются с учетом одинаковых условий обработки.
Факторы, влияющие на результаты исследований обрабатываемости
Чтобы обоснованно судить об обрабатываемости каждого конкретного материала, обладающего определенными свойствами, по всем указанным параметрам, необходимо определить количественные результаты исследований. При этом будут наблюдаться существенные расхождения в количественных показателях, возникающие из-за различий в условиях, в которых проводятся исследования.
Кроме производственных условий, при формировании количественных показателей обрабатываемости следует учитывать такие составляющие процесса обработки как:
- износ инструмента, с определенной спецификой для каждой из выбранных его конструкций;
- различия в выбранных режимах резания;
- технические особенности оборудования, на котором ведется обработка и пр.
Поэтому для получения более точных количественных характеристик обрабатываемости материала, для их последующего сопоставления важно максимально использовать равные параметры и условия обработки, наиболее часто применяемые при работе с данными классами материалов и инструмента.
Оценка режущих качеств инструмента
Стойкость режущего инструмента измеряется длительностью его использования – в минутах – между переточками, при сохранении параметров износа режущей части, необходимых для выполнения работ с соответствующим качеством.
Режущие качества инструмента определяются его возможностями выполнять операции резания материалов. Чтобы охарактеризовать и сравнить режущие свойства инструмента наиболее точно, следует выбрать некоторое количество заготовок одного типа, прошедших обработку данным инструментом, и обозначить основные параметры, в том числе:
- длину рабочего хода инструмента;
- рассчитать общую длину заготовок и площадь обработанной поверхности;
- объем стружки (срезанного слоя);
- определить число переточек и период стойкости инструмента.
Что влияет на режущие качества инструмента?
Учитывая невозможность высокой точности при определении количественных характеристик режущих свойств инструмента в условиях реального производства, эту работу целесообразно выполнять в специальных лабораторных условиях. Только с учетом полученных данных возможна разработка оптимального технологического процесса обработки деталей.
Проведение исследований режущих качеств инструментов в лабораторных условиях гарантирует, что будут максимально учтены следующие факторы:
- свойства стали и твердых сплавов, из которых изготовлен инструмент и его режущая часть с учетом их химического состава, физических свойств: твердость, пластичность, структура, пределы прочности по всем показателям, стойкость к износу и высоким температурам;
- форма инструмента, длина, жесткость, параметры режущей части, количество режущих кромок, точность изготовления;
- критерии износа;
- выбор режимов резания – скорости, подачи, толщины снимаемого слоя, СОЖ;
- технические качества станка: жесткость системы СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь), отсутствие вибраций, люфтов, проблем с точностью передачи крутящего момента от электродвигателя к движущимся механизмам станка и пр.
Источник
Обрабатываемость материалов резанием – эго способность материалов поддаваться обработке резанием или, иначе, комплекс свойств материалов, обеспечивающих (при их обработке резанием) достижение следующих технологических показателей:
- 1) скорости резания Vr при заданной стойкости Т (например, V60, т.е. скорость резания при стойкости Т= 60 мин);
- 2) качества обработанной поверхности (шероховатость, наклеп, остаточные напряжения);
- 3) силы резания и потребляемой мощности;
- 4) формы стружки, ее транспортабельности и г.д.
Обрабатываемость зависит: от химического состава обрабатываемого материала; его механических и теплофизических свойств; вида обработки резанием; конструкции инструмента и инструментального материала; режима резания; применяемых СОТС и других факторов.
Результаты исследований обрабатываемости по указанным критериям используют при разработке нормативных документов для технологов. Эти документы необходимы при разработке новых и совершенствовании применяемых технологических процессов, для рекомендаций но назначению режимов резания, при совершенствовании химического состава и улучшения свойств инструментальных и обрабатываемых материалов.
В производственных условиях из перечисленных выше критериев обрабатываемости наиболее часто используют критерий vj- – скорость резания при заданной стойкости, по которому определяют производительность обработки данного материала и необходимые затраты для осуществления процесса резания.
Для сравнения обрабатываемости разных материалов часто используют коэффициент обрабатываемости, под которым понимают отношение
где у* – скорость резания при Т = 60 мин, характеризующая обрабатываемость исследуемого материала A; v|’() – скорость резания при Т = 60 мин, характеризующая обрабатываемость эталонного материала Б.
За эталон обычно принимают сталь 45 (ст„ = 650 МПа, 180 НВ), и поэтому для нее коэффициент обрабатываемости Хоб = 1. При по- лучисговом точении стали 45 твердосплавным резцом v6o = = 135 м/мин, а резцом из быстрорежущей стали Р18 – = 75 м/мин.
Чем выше значение коэффициента обрабатываемости Каб, тем лучше обрабатываемость материала. По этому коэффициенту для разных металлов можно посчитать Убо- Например, при точении твердосплавным резцом аустенитной коррозионно-стойкой стали К„5 = 0,5 [31] и тогда v6o =135 • 0,5 = 67,5 м/мин. При точении этой же стали резцом из стали Р18 К^ = 0,3, a v6o =75 • 0,3 = 22,5 м/мин.
Если для данного материала коэффициент обрабатываемости неизвестен, то для его определения необходимо экспериментально найти зависимость «стойкость-скорость» (Т-).
Для сокращения затрат времени и средств при нахождении этой зависимости разработаны различные экспресс-методы оценки обрабатываемости. Рассмотрим простейший из них – метод оценки обрабатываемости по интенсивности износа, предложенный А.С. Кондратовым. Суть метода состоит в том, что заготовку из испытуемого материала обтачивают только одним резцом при постоянной глубине t и подаче s на различных скоростях резания V|, V2, V3, …, V,. Для каждой скорости через определенные отрезки времени Г, замеряют соответствующие этим временам приращения износа по задней поверхности резца ДЛ3_П и оценивают интенсивность износа по формуле
В двойных логарифмических координатах строят зависимость U =/(v) (рис. 6.8), представляющую собой прямую, тангенс угла
наклона которой к оси U принимается равным показателю относительной стойкости m в формуле
Для нахождения коэффициента С в этой формуле определяют эквивалентную интенсивность износа за весь период
Рис. 6.8. Связь между скоростью резания v и интенсивностью износа U при определении обрабатываемости но методу А.С. Коядраз ова
Из рис. 6.8 находят скорость резания v3KB, соответствующую эквивалентной интенсивности износа ?/экв. Так как
, то
постоянный коэффициент С = v1KBT“’. Отсюда находят показатель обрабатываемости, подставив значения т и С в уравнение
Метод А.С. Кондратова дает хорошую точность при резании твердосплавными резцами и, по сравнению с классическим методом T—v, описанным выше, в 6… 10 раз сокращает время испытаний.
Известны и другие экспресс-методы оценки обрабатываемости. Например, для испытаний быстрорежущих инструментов часто применяют метод торцовой обточки [3] или метод конического точения [8].
Далее кратко рассмотрим особенности обрабатываемости основных групп конструкционных материалов, получивших широкое применение в машиностроении.
• 1. Углеродистые и легированные стали применяют для изготовления деталей машин. Они отличаются химическим составом, физико-механическими и теплофизическими свойствами, которые отражаются на их обрабатываемости.
По химическому составу и содержанию легирующих элементов эти стали можно условно разделить на следующие подгруппы: углеродистые стали (стали 20, 40, 45 и др.); низколегированные хромистые, хромоникелевые и другие стали, содержащие углерод в пределах С = 0,2…0,5 % и легирующие элементы (хром, никель, марганец, кремний, вольфрам и молибден), суммарное количество которых достигает 3 %; углеродистые инструментальные стали (С = 0,8… 1,2 %); высоколегированные стали с высоким содержанием легирующих элементов.
Обрабатываемость всех углеродистых сталей зависит в основном от содержания в них углерода, с увеличением которого твердость сталей повышается, а скорость резания v60 снижается.
У среднеуглеродистых и низколегированных сталей (С = = 0,35…0,55 %) коэффициент обрабатываемости в пределах Кой = 0,7… 1,0. Введение в эти стали в небольшом количестве (1… 2 %) легирующих элементов обеспечивает повышение прочности и других механических свойств (предела текучести, относительного удлинения) при небольшом снижении коэффициента обрабатываемости. Обрабатываемость этих сталей может быть улучшена за счет изменения структуры методами дополнительной термообработки (отжиг, нормализация, закалка с последующим отпуском).
Наилучшей обрабатываемостью обладают стали со структурой перлит (ферриг+цементит). У пластинчатого перлита цементит, обладающий повышенной твердостью, имеет форму пластин и феррит в виде сетки. Путем термообработки пластинчатый перлит может быть превращен в зернистый перлит с цементитом в виде мелких глобулярных (округлых) зерен. При этом обрабатываемость такой стали существенно улучшается. Однако с увеличением размеров глобулей шероховатость обработанной поверхности ухудшается. Для чистовой операции лучшую обрабатываемость по этому критерию обеспечивает пластинчатый перлит.
Чтобы максимально улучшить обрабатываемость высокоуглеродистых сталей (С > 0,6 %), они должны иметь структуру зернистого перлита, обладающего меньшей истирающей способностью, даже если эго ухудшает качество поверхности.
В инструментальных, легированных и быстрорежущих сталях увеличение легирующих элементов всегда приводит к ухудшению обрабатываемости (до Каg = 0,6) и росту шероховатости обработанной поверхности вследствие образования твердых карбидов. При этом, как правило, повышаются предел прочности ств при растяжении и твердость сталей, возрастает сопротивление сталей обработке резанием. Наихудшую обрабатываемость имеют структуры: сорбитообразный перлит, сорбит и троостиг после закалки и отпуска. Наилучшей по обрабатываемости структурой инструментальных сталей является зернистый перлит с равномерно распределенными мелкими карбидами после тщательной проковки и сфероидизирующего отжига.
На обрабатываемость сталей оказывают влияние также некоторые металлургические факторы, в частности, способы литья и прокатки. Например, конверторные низкоуглеродистые стали обрабатываются лучше, чем выплавленные в мартеновских и электрических печах, так как содержат в больших количествах серу и фосфор. Холоднокатаные стали, содержащие углерод до 0,3 %, обрабатываются лучше, чем горячекатаные, а при содержании углерода С > 0,4 % – хуже.
Самой худшей обрабатываемостью обладают высоколегированные коррозионно-стойкие и жаростойкие стали, так как содержат в больших количествах легирующие элементы: хром (15… 18 %), никель (8… 11 %), марганец (1.. .2 %). Иногда в них входят в небольших количествах титан, вольфрам, молибден, ниобий при некотором снижении содержания хрома и никеля. Снижение обрабатываемости этих сталей связано с изменением их механических и теплофизических свойств. Например, жаростойкие (окалиностойкие) и жаропрочные стали аустенитного класса отличаются высокой упрочняемостью при резании. Некоторые марки сталей в процессе пластического деформирования склонны к структурным превращениям, заключающимся в переходе аустенита в мартенсит. Эти стали, как правило, имеют низкую теплопроводность, что затрудняет отвод теплоты из зоны резания в стружку и заготовку. При этом повышаются температура резания и интенсивность износа инструментов.
Присутствие в ряде сталей и сплавов карбидов и ингерметал- лидов, имеющих высокую твердость, вызывает повышенный абразивный износ инструментов, особенно инструментов из быстрорежущей стали. Для обработки этих сталей чаще всего используют инструментальные материалы высокой прочности, такие, например, как однокарбидные твердые сплавы, обладающие к тому же высокой износостойкостью.
Для некоторых марок сталей обрабатываемость улучшают правильно подобранными режимами термообработки (отжиг, закалка).
В целом же в зависимости от химического состава у высоколегированных сталей коэффициент обрабатываемости снижается от К05 = 0,65 (хромистые, коррозионно-стойкие стали) до K„s = 0,3 (хромоникелевые жаростойкие стали).
Еще меньшую обрабатываемость имеют жаропрочные сплавы на никелевой основе с содержанием никеля до 60…80 %, для них Коб = 0,16.. .0,04 (сплавы марок ЖС6К, ЖСЗДК).
Наилучшую обрабатываемость имеют низкоуглеродистые (С Коб =1,5…2,1, производительность обработки возросла в 2 раза, уменьшились силы резания и шероховатость обработанной поверхности. Однако при этом механические свойства автоматных сталей несколько снизились.
• 2. Чугуны применяют, главным образом, для изготовления корпусных деталей машин методом литья благодаря низкой стоимости материала и высокой технологичности. Чугуны относятся к материалам с относительно низкой прочностью, не испытывающим пластических деформаций в процессе образования стружки. Поэтому силы резания и затрачиваемая при этом мощность ниже, чем при обработке сталей, а из-за малой пластичности чугунов образуется элементная, реже суставчатая стружка, снижающая площадь ее контакта с передней поверхностью инструмента. В результате контактные напряжения возрастают и концентрируются около режущей кромки. Поэтому при обработке чугунов следует применять более прочные однокарбидные сплавы группы ВК.
Температура резания при обработке чугунов ниже, чем при обработке сталей той же твердости, обрабатываемость их также ниже. Это связано главным образом с высоким абразивным действием весьма твердого цементита, что интенсифицирует износ, особенно инструментов из быстрорежущих сталей.
Различают белые, серые, ковкие и высокопрочные чугуны. Три последних чугуна имеют следующие основы, оказывающие определяющее влияние на их обрабатываемость: ферритную; ферритно-перлитную и перлитную.
Из всей номенклатуры чугунов наилучшую обрабатываемость по критерию vW) имеют ферритные чугуны, содержащие феррит и графит. Обрабатываемость перлитных ковких и сверхпрочных чугунов, содержащих перлит и графит, ухудшается. Самую низкую обрабатываемость имеют белые чугуны, содержащие перлит, цементит и карбиды легирующих элементов (хром, ванадий, молибден). Например, прокатные валки из отбеленного чугуна обрабатывают твердосплавными резцами со скоростью резания v =3… 10 м/мин. Однако наилучшие результаты при чистовой обработке таких валков дают инструменты, оснащенные эльбором.
Высокопрочные чугуны с шаровидной формой графита обладают лучшей обрабатываемостью, чем чугуны с пластинчатым графитом. Это достигается за счет применения для них, в отличие от серых чугунов, дополнительной термообработки (отжиг или высокий отпуск).
Для отдельных групп чугунов обрабатываемость связывают с их твердостью
где с – коэффициент; НВ – твердость по Бринеллю; п – показатель степени, зависящий от формы графита, п = 1,5 — для шаровидного графита; п = 2,2 – для пластинчатого графита [22].
• 3. Титановые сплавы обладают высокими физико-механическими свойствами и широко применяются в авиа- и ракетостроении. Их условно можно разделить на следующие основные группы: 1) повышенной пластичности (ст8в = 600 МПа); 3) высокой прочности (ста = 1000… 1500 МПа); 4) жаропрочные (ств = 450… 1250 МПа). При этом, чем выше прочность титанового сплава, гем хуже его обрабатываемость.
В целом титановые сплавы при довольно высокой прочности обладают пониженной пластичностью, обусловленной наличием в их составе алюминия. Теплопроводность титановых сплавов в 17 раз меньше, чем алюминия, а при резании они склонны к упрочнению. Снижение пластичности связано со свойством титана интенсивно поглощать из атмосферы водород, кислород и азот. При этом относительное удлинение после разрыва 5
По обрабатываемости титановые сплавы существенно уступают конструкционным сталям. В зависимости от марки сплава коэффициент обрабатываемости К„б титановых сплавов колеблется в пределах от 0,8 (для сплава ОТ4-1) до 0,45 (для сплавов ВТ 14, ВТ1 и др.). Поэтому для резания титановых сплавов используют инструментальные материалы высокой прочности: быстрорежущие стали повышенной теплостойкости и однокарбидные твердые сплавы группы ВК. Сплавы, содержащие карбиды титана, для обработки титановых сплавов непригодны из-за химического сродства с обрабатываемым материалом.
• 4. Цветные металлы и сплавы на основе меди и алюминия обладают наилучшей обрабатываемостью по сравнению со сталями. Так, при резании твердосплавными резцами меди марок Ml, М2, М3 /Сб = 4…6, а сплавов алюминия марок АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АМ5 К0{, =10. ..12 [31]. Это объясняется низкой прочностью и твердостью этих металлов и их высокой теплопроводностью. Поэтому температура резания низкая, а интенсивность износа мала.
Из-за высокой пластичности меди при ее обработке на низких скоростях силы резания достаточно большие, так как усадка стружки очень велика (К = 6…8 и более). По этой причине чистая медь с высокой электропроводностью считается труднообрабатываемым материалом, особенно при глубоком сверлении, когда имеют место высокая шероховатость обработанной поверхности и плохой стружкоотвод.
Лучшей обрабатываемостью за счет добавки свинца (до 2… 3 %) обладают латуни и свинцовистые бронзы. Поэтому, например, латуни широко применяют для изготовления деталей на станках-автоматах.
При резании алюминиевых сплавов из-за высокой стойкости инструментов скорость резания твердосплавными инструментами достигает 600 м/мин, а инструментами из быстрорежущей стали – 300 м/мин. Только при резании некоторых наиболее прочных алюминиевых сплавов, например силиконов, содержащих 17… 20 % кремния, даже при использовании твердосплавных инструментов приходится снижать скорость резания почти до 100 м/мин из-за высокой твердости частиц кремния (>400 НВ), вызывающих абразивный износ инструмента.
Источник