12.2. Обрабатываемость различных конструкционных материалов

Обрабатываемость материалов, как технологическое свойство, определяется их химическим составом и структурным состоянием. Однако, поскольку от химического состава зависят механические и теплофизические свойства материала, эти свойства также оказывают влияние на обрабатываемость. К ним следует отнести прочность, пластичность, вязкость и теплопроводность материала. Обрабатываемость связана с изнашивающим действием, оказываемым материалом на контактные поверхности инструмента. Так как режим трения на этих поверхностях зависит от толщины срезаемого слоя, скорости и температуры трения, а сопротивляемость изнашиванию — от свойств инструментального материала, то обрабатываемость одного и того же материала будет различной при резании его различными инструментами, изготовленными из разных инструментальных материалов. Поэтому коэффициенты обрабатываемости для одного и того же материала отличаются друг от друга не только при точении, сверлении, фрезеровании и т. д., но и в зависимости от того, из какого материала (быстрорежущей стали или твердого сплава) изготовлен инструмент.

Химические элементы, входящие в состав современных конструкционных материалов, по степени их влияния на обрабатываемость можно условно разделить на три группы. Для сталей на ферритной основе в первую, наиболее сильно влияющую группу, входят углерод и кремний. Сильнее всего изменяет обрабатываемость увеличение содержания углерода до 0,5 %. Во вторую группу, оказывающую значительно меньшее влияние на ухудшение обрабатываемости, входят в порядке уменьшения степени влияния хром, вольфрам, ванадий и молибден. В третью группу, практически не влияющую на обрабатываемость, входят марганец и никель. Для сталей и сплавов, имеющих аустенитную и хромоникелевую основу, в первую группу входит углерод, увеличение содержания которого непрерывно ухудшает обрабатываемость, алюминий, титан и кремний; во вторую — молибден, кобальт, марганец, хром и вольфрам; в третью — никель, ниобий и ванадий.

Для удобства оценки обрабатываемости при расчете режимов резания все материалы разделяют на отдельные группы с приблизительно одинаковыми свойствами, кроме их механических характеристик. В пределах каждой группы коэффициент обрабатываемости в основном определяется пределом прочности на растяжение или твердостью по Бринелю.

Обрабатываемость конструкционных и инструментальных сталей. Обрабатываемость углеродистых сталей в первую очередь зависит от содержания в них углерода. Наилучшую обрабатываемость имеют термически необработанные стали с содержанием углерода 0,2…0,3 %; при меньшем и большем содержании углерода обрабатываемость непрерывно ухудшается. Сера и фосфор, ухудшая эксплуатационные свойства углеродистых сталей, при определённом содержании улучшают их обрабатываемость. То же самое можно сказать и о марганце, если его содержание не превышает 1 %. Вследствие этого автоматные стали, содержащие серы до 0,3…0,4 %, фосфора до 0,15 % и марганца до 0,7…1 %, обрабатываются со скоростями резания в 1,5…2 раза более высокими, чем те, которые допускают при резании малоуглеродистых сталей.

Влияние легирующих элементов на обрабатываемость определяется их способностью растворяться в феррите или образовывать карбиды. Элементы, растворяющиеся в феррите, повышают его вязкость и ухудшают обрабатываемость. Добавка карбидообразующих элементов до определенного предела обрабатываемости стали существенно не изменяет.

Обрабатываемость конструкционных сталей в значительной степени зависит также от металлургических факторов: способов изготовления и прокатки. Конверторные низкоуглеродистые стали, характерные большим содержанием серы и фосфора, обрабатываются значительно лучше, чем стали, выплавленные в мартеновских и электрических печах, в которых серы и фосфора меньше. Обрабатываемость спокойных сталей с контролируемым размером зерна выше, чем полуспокойных и особенно кипящих. Значительно ухудшается обрабатываемость при использовании во время сталеварения в качестве раскислителей алюминия и кремния, так как образующиеся алюминаты и силикаты повышают истирающуюся способность стали. Холоднокатаная углеродистая сталь с содержанием углерода до 0,3 % имеет обрабатываемость лучшую, нежели горячекатаная: обрабатываемость горяче- и холоднокатаных сталей с содержанием углерода 0,3…0,4 % одинакова; если содержание углерода превышает 0,4 %, то холоднокатаная сталь обрабатывается хуже, чем горячекатаная. Очень сильное влияние на обрабатываемость сталей оказывают термическая обработка и структура после закалки, отпуска и отжига.

Наряду с химическим составом, на истирающую способность материала влияет его микроструктура. Наименьшей истирающей способностью обладает феррит, небольшой коэффициент k_ИСТ имеет аустенит; истирающая способность перлита зависит от формы цементита; у пластинчатого перлита она больше, чем у зернистого, зернистого — тем меньше, чем меньше зерна цементита; у высоколегированных сталей истирающая способность значительно увеличивается, если карбиды расположены в виде скоплений или сетки.

Наибольшая V_T достигается при резании феррита, а затем по мере усиления интенсивности затупления инструментов идут зернистый и пластинчатый перлит, сорбит, троостит.

В инструментальных легированных и быстрорежущих сталях содержание легирующих элементов весьма велико, что резко ухудшает их обрабатываемость и увеличивает шероховатость обработанной поверхности. Если содержание вольфрама более 10 %, то обрабатываемость ухудшается вследствие образования сложных карбидов. Ванадий и кобальт растворяются в феррите, делая его более вязким. Хром и молибден также растворяются в феррите и вместе с тем образуют карбиды. Наилучшей структурой инструментальной стали является зернистый перлит с равномерно распределенными мелкими карбидами. Такую структуру получают тщательной проковкой заготовок и сфероидизирующим отжигом.

В табл. 12.1 приведены средние значения коэффициентов обрабатываемости различных сталей с пределом прочности на растяжение _В = 750 Н/мм². Влияние изменения прочности на допускаемую скорость резания в пределах одной марки или группы сталей учитывают зависимостью:

V = C_ /_В^nv.

При точении резцом из быстрорежущих сталей деталей из углеродистых, автоматных и хромистых сталей n_v = 1,75; из сталей хромоникелевых, никелевых, марганцовистых, хромомарганцовистых, хромокремнемарганцовистых, n_v = 1,5; из сталей хромомолибденовых, хромомолибденоалюминиевых, быстрорежущих n_v = 1,25. При точении деталей из перечисленных сталей резцом из твердых сплавов n_v = 1. Приняв за эталонный предел прочности на растяжение _В = 750 н/мм², влияние механических свойств обрабатываемого материала на скорость резания учитывают поправочным коэффициентом:

К_м = (750/_В )^nV.

Таблица 12.1