Обрабатываемость материалов резанием
Критерии обрабатываемости
Обрабатываемость материалов резанием является важнейшим технологическим свойством всех конструкционных материалов, которое оценивается по ряду технологических признаков. Наиболее важными из этих признаков являются:
1. Допустимая скорость vт при заданной стойкости Т.
2. Возникающие в процессе обработки силы резания.
3. Температура в зоне резания.
4. Шероховатость обрабатываемой поверхности.
5. Тип образующейся стружки и условия отвода ее из зоны резания.
В зависимости от характера операции те или иные показатели становятся определяющими. Например, при черновой обработке помимо максимально возможной производительности большое значение имеют силы резания и потребляемая мощность. При чистовой обработке определяющее значение имеет шероховатость обработанной поверхности, температурные деформации и направление схода стружки. При работе автоматического оборудования на первый план выступает вопрос дробления стружки и удобство ее отвода от зоны резания. Однако при любых условиях наиболее важным показателем обрабатываемости материала является уровень допустимых скоростей резания, поскольку этот показатель в наибольшей степени влияет на производительность операции и себестоимость обработки. Поэтому в узком смысле слова под обрабатываемостью понимают именно допустимую скорость резания при заданной стойкости. Очевидно, что этот показатель зависит и от применяемого материала инструмента. Кроме того, особенности процесса резания при различных видах обработки могут также оказывать своё влияние на оценки обрабатываемости того или иного материала. В связи с этим в условиях производства обрабатываемость материалов часто оценивают на операциях, которые являются лимитирующими при изготовлении деталей из этих материалов. Такими операциями чаще всего являются: сверление, нарезание резьбы, зубообработка. В лабораторных условиях обрабатываемость материалов оценивается обычно в процессе точения или фрезерования.
Для количественной оценки обрабатываемости используется коэффициент обрабатываемости К0, который представляет собой отношение скорости резания, допускаемой при обработке данного материала, к скорости резания, допускаемой некоторым эталонным материалом. В качестве эталонного материала принята сталь 45, коэффициент обрабатываемости которой принят за единицу.
Vи
Ко = ---- (2.1)
V45
Обрабатываемость сталей
Обрабатываемость резанием зависит от химического состава и структурного состояния, определяющих механические и теплофизические свойства материалов.
Углеродистые стали различаются в первую очередь по содержанию углерода. Термически необработанные стали с содержанием углерода 0,2-0,3 % имеют наилучшую обрабатываемость. При меньшем содержании углерода трудно обеспечить низкую шероховатость поверхности, поскольку малоуглеродистые стали обладают повышенной пластичностью. При увеличении содержания углерода выше 0,3 % снижается стойкость инструмента, поскольку прочность стали увеличивается в большей степени, чем снижается пластичность. При увеличении содержания серы до 0,3 % и фосфора до 0,15 % обрабатываемость малоуглеродистых сталей улучшается, поскольку снижается их пластичность. Однако увеличение содержания серы и фосфора допустимо только в тех случаях, когда к деталям не предъявляются высокие требования по прочности, так как эти элементы снижают эксплуатационные свойства сталей.
Легированные стали. Снижение пластичности стали достигается и при увеличении содержания марганца до 1,5 %. Кроме того, при достаточном содержании серы в стали марганец образует сульфиды, которые улучшают условия стружкообразования, играя роль концентраторов напряжений в зоне сдвига, а также уменьшают интенсивность износа инструмента, выполняя роль твердой смазки. Однако, при увеличении марганца выше 1,5 % особенно при наличии в стали водорода, резко возрастает ее прочность и ухудшается обрабатываемость.
Легирующие элементы (молибден, вольфрам, хром, ванадий) склонны к образованию карбидов и входят в твердые растворы. Тем самым увеличиваются прочность и абразивная способность стали, а, следовательно, снижается стойкость инструмента. Никель и кобальт, входя в твердые растворы, увеличивают прочность феррита. Для улучшения обрабатываемости легированных сталей применяется специальная термообработка, регулирующая фазовый состав и размер зерен структуры.
Кремний во всех случаях ухудшает обрабатываемость стали, поскольку образуемые им окислы и силикаты обладают высокой твердостью и абразивной способностью
Большое влияние на обрабатываемость сталей оказывает их структура. Наилучшей обрабатываемостью характеризуется зернистый перлит, в котором цементит находится в виде мелких шарообразных зерен. Пластинчатый перлит, в котором цементит находится в виде острых пластинок, обладает большей абразивной способностью. Еще более низкую обрабатываемость имеют сорбит, троостит и мартенсит. Крупнозернистые стали обладают лучшей обрабатываемостью по стойкости, однако при их обработке трудно обеспечить низкую шероховатость поверхности.
В таблице 3.1 приведены средние значения коэффициента обрабатываемости Ко различных сталей с пределом прочности на растяжение sВ=75×107 Н/м2.
Таблица 3.1
Коэффициенты обрабатываемости различных сталей Ко
| Стали | Коэффициент Ко при разных видах обработки | ||
| точение | фрезерование | обработка отверстий | |
| Углеродистые конструкционные (С£0, 6%) Углеродистые конструкционные (С³0, 6%) Автоматные Хромистые Марганцовистые Хромоникелевые Хромомарганцовистые, хромокремнистые Хромомолибденовые, хромоникельмо- либденовые, хромалюминиевые Хромоникельвольфрамовые Инструментальные быстрорежущие | 0,85 1,2 0,85 0,8 0,9 0,7 0,8 0,8 0,6 | 0,8 - 0,85 0,75 0,9 0,7 0,75 0,8 0,6 | 0,8 1,2 0,85 0,7 0,9 0,7 0,7 0,7 0,6 |
Обрабатываемость чугунов
По обрабатываемости чугуны разделяют на 4 группы:
1) ферритные, содержащие феррит и графит;
2) перлитные ковкие и сверхпрочные, содержащие перлит и сфероидальный графит;
3) перлитные, содержащие перлит и пластинчатый графит;
4) белые, содержащие перлит и цементит.
Углерод в чугунах находится в свободном виде (графит) и в связанном виде (цементит). С увеличением содержания графита обрабатываемость чугуна улучшается: однако с увеличением размеров частиц графита ухудшается шероховатость поверхности. При резании чугуна образуется стружка надлома или элементная стружка. В связи с малой пластичностью чугуна сила резания меньше, чем при обработке сталей на ферритной основе. Однако меньше и размеры площадки контакта на передней поверхности, поэтому выше контактное напряжение. В связи с этим при обработке чугунов следует применять прочные однокарбидные сплавы.
Увеличение содержания кремния до 2,75 % улучшает графитизацию чугуна, а, следовательно, его обрабатываемость. Увеличение содержания карбидообразующих легирующих элементов приводит к увеличению абразивной способности чугуна. Наличие сульфидов марганца улучшает обрабатываемость, а с увеличением содержания фосфора обрабатываемость чугуна ухудшается.