Обрабатываемость материалов резанием

Под обрабатываемостью понимается способность обрабатываемого материала разрушать и изнашивать контактные площадки инструмента до заданного критерия износа.

Полное исследование обрабатываемости какого-либо материала включает в себя следующие этапы:

1. Определение оптимальной марки инструментального материала, оптимальной геометрии режущего инструмента и оптимального состава смазочно-охлаждающей жидкости.

2. Исследование влияния различных факторов (скорости резания, подачи, глубины резания, геометрии режущего инструмента и др.) на качество обработанной поверхности, силы резания и износ режущего инструмента.

3. Исследование влияния термообработки на обрабатываемость.

Оценку обрабатываемости производят по следующим параметрам: допускаемой скорости резания, качеству обработанной поверхности, силам и мощности, затрачиваемым на процесс резания и характеру образующейся стружки.

Основным параметром оценки обрабатываемости как при черновой, так и при чистовой обработке является скорость резания. Чем она выше, тем лучше обрабатываемость материала и наоборот.

Для определения обрабатываемости используют различные методы. Рассмотрим «классический» метод, который заключается в построении периода стойкости инструмента от скорости резания – Т=f(V). Данный метод является наиболее точным и объективно отражает влияние обрабатываемого материала на износ инструмента. Недостатком его является трудоемкость и большой расход обрабатываемого материала.

Если сравнивают обрабатываемость двух материалов А и Б, то для них в одинаковых условиях обработки экспериментально находят зависимость Т=f(V). Построение данной зависимости производится следующим образом. При постоянных значения глубины резания и подачи заготовка из материала Б обрабатывается на скорости резания V1 до заданного критерия износа (в нашем примере критерий равен h_3к=0,5 мм ) и строится график h3=f(τ) (рис. 83, б). На данном графике определяется время Tv1 , которое проработал инструмент до величины износа по задней грани hз, равного 0,5 мм, которое будет соответствовать периоду стойкости инструмента при работе на скорости V₁. Значение периода стойкости Tv₁ переносим на график Т=f(V) и получаем на нем первую точку. По аналогии строим графики h3=f(τ) для скоростей V₂, V₃, V₄ и т. д. и получаем для данных скоростей значения периодов стойкости Tv₂, Tv₃, Tv₄ и т.д., которые переносим на график Т=f(V) . Построив зависимость T=f(V) для материала Б, аналогично строим зависимость T=f(V) для обрабатываемого материала Б. Если зависимость T=f(V) является монотонной, то ее аппроксимируют степенной функцией и находят две зависимости:

- для материала А и - для материала Б.

Затем, задавшись периодом стойкости Т=60мин, определяют соответствующие ему скорости резания V_60А и V_60Б. Коэффициент обрабатываемости будет равен .

При немонотонной зависимости T=f(V) (рис.67) находят отношение скоростей резания VA и VБ, допускаемых материалами А и Б при определенном значении периода стойкости инструмента, являющееся коэффициентом обрабатываемости при выбранном периоде стойкости.

Для повышения обрабатываемости материалов применяются следующие методы: термическая обработка обрабатываемого материала, изменение химического состава, введение в состав обрабатываемого материала легкоплавких добавок (висмут, селен, свинец и др.), которые не изменяют физико-механических свойств материала, подогрев срезаемого слоя заготовки (лазерный плазменный). Обрабатываемость различных материалов. Обрабатываемость конструкционных сталей ухудшается с увеличением содержания в них углерода и легирующих элементов, поскольку это приводит к повышению коэффициента истираемости материала и температуры резания. Наряду с химическим составом на обрабатываемость сталей влияет их микроструктура. Наибольшей истирающей способностью обладает феррит, небольшой коэффициент истираемости имее аустенит; истирающая способность перлита зависит от формы цементита – у пластинчатого перлита она больше, чем у зернистого; у зернистого перлита она тем меньше, чем меньше зерна цементита. Обрабатываемость чугунов определяется в первую очередь их микроструктурой и ухудшается по мере того, как углерод из свободного состояния (графит) переходит в связанное (цементит), обладающее повышенной истирающей способностью. На обрабатываемость чугуна влияет также размер и форма графита и цементита. Наилучшая обрабатываемость достигается при наличии сфероидальных зерен графита. Вследствие малых пластичности и склонности чугуна к упрочнению силы резания при его обработке меньше, чем при обработке сталей на ферритной основе. Однако из-за малой длины контакта стружки с передней поверхностью нормальные напряжения достаточно велики и концентрируются вблизи режущей кромки. Температура резания при обработке чугуна также меньше по сравнению с температурой, возникающей при обработке ферритных сталей той же твердости. Щднако обрабатываемость чугуна хуже. Обрабатываемость жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов существенно хуже по сравнению с обрабатываемостью конструкционных сталей и чугунов. Жаропрочными называют материалы, способные выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций и обладающие жаростойкостью, т.е. способностью противостоять химическому разрушению под действием воздуха или других агрессивных сред при высоких температурах. Нержавеющими называются материалы, обладающие высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах, т. е. в атмосфере воздуха, паров воды и кислот. Худшая обрабатываемость данных материалов определяется их физико-механическими свойствами, структурой и теплофизическими характеристиками. К таким свойствам относятся: 1. Высокое упрочнение материала в процессе его обработки резанием. 2. Низкая теплопроводность. 3. Способность данных материалов сохранять исходную прочность и твердость при повышенных температурах. 4. Большая истирающая способность данных материалов, обусловленная наличием в них, кроме фазы твердого раствора, еще и второй фазы, когда образуются интерметаллидные или карбидные включения. Низкую обрабатываемость имеют титановые сплавы, которая обусловлена рядом их особенностей: малая пластичность, характеризуемая высоким коэффициентом упрочнения; высокая химическая активность к кислороду, азоту, водороду, что вызывает интенсивное охрупчивание поверхностного слоя сплавов вследствие диффузии в него атомов газа при повышении температуры; чрезвычайно низкая теплопроводность, более низкая, чем у жаропрочных сталей и сплавов. Алюминиевые сплавы с точки зрения обрабатываемости можно разделить на три группы. К первой относятся сплавы с низкой твердостью, имеющие склонность к налипанию на инструмент (например, дюралюминий в отожженном состоянии). Сплавы второй группы имеют высокую твердость, не налипают на инструмент (например, термически упрочненный дюралюминий, кованные сплавы АК6, АК8 и др.). В третью группу входят широко распространенные литые сплавы, содержащие кремний, в частности силумины различных сплавов. Для первых групп наиболее характерно образование сливной стружки в виде длинных лент и спиралей, для третьей – стружка легко дробится на короткие элементы. По сравнению со сталью алюминиевые сплавы обладают меньшей твердостью, более низким временным сопротивлением и лучшей теплопроводностью, что позволяет значительно повысить скорость резания и подачу. Высокая вязкость ряда алюминиевых сплавов интенсифицирует налипание частиц на рабочие поверхности инструмента, что затрудняет отвод стружки, может вызвать пакетирование стружки и привести к образованию задиров на обработанной поверхности. Алюминиевые сплавы склонны к наростообразованию и данный процесс протекает чрезвычайно активно. Максимальная высота нароста и его исчезновение отмечаются для алюминиевых сплавов при относительно более низких скоростях резания, чем для сталей. Медные сплавы с точки зрения обрабатываемости можно разбить на три группы: 1. Сплавы с гомогенной структурой (латуни Л60, Л63, бронзы БрА7, Бр04Ц3 и др., медь); 2. Сплавы с гетерогенной структурой (ЛЦ16К4, ЛЦ30А3, БрА10ЖЗМц2 и др.); 3. Сплавы, содержащие свинец (ЛС63-3, ЛЦ10С, БрС30 и др.). При обработке сплавов первой группы и красной меди образуется сливная вязкая и трудноломающаяся стружка. Сплавы второй группы также образуют сливную стружку, однако она менее прочная и значительно лучше ломается. При резании свинцовистых сплавов образуется короткая хрупкая стружка, а в случае высокого содержания свинца – стружка надлома почти в виде пыли. Обрабатываемость медных сплавов лучше по сравнению со сталями, коэффициент, характеризующий уровень скоростей резания, для них в 2 – 3 раза выше по сравнению с чугуном и сталью.