Что такое обрабатываемость металла
Обрабатываемость металлов
Термин «обрабатываемость металлов», фигурирующий в большом числе книг, статей и дискуссий, может быть принят как характеризующий свойство или качество материала, которое может быть четко установлено и измерено для определения способности материала подвергаться резанию. Фактически не существует таких четких условий резания, которые бы однозначно соответствовали этому термину. Тем, кто занимается механической обработкой на практике, значение этого термина ясно, и для них обрабатываемость материала заготовки может быть выражена количеством деталей, производимых за час, стоимостью механической обработки деталей и качеством обработанной поверхности.
Проблемы возникают вследствие того, что на практике приходится иметь дело с различными критериями обрабатываемости при выполнении различных операций. Материал может иметь хорошую обрабатываемость по одному критерию и плохую по другому, или при выполнении различных операций, или при изменении условий резания или инструментальных материалов.
В данной главе эта сложная ситуация рассматривается с точки зрения поведения большого числа металлов и сплавов основной группы в процессе механической обработки, исходя из их состава, структуры, термической обработки и свойств. Обрабатываемость материала может быть оценена одним или несколькими следующими критериями.
1. Стойкостью инструмента. Количество материала, снятого инструментом при стандартных режимах резания до тех пор, пока качество работы инструмента становится неприемлемым или не произойдет износ инструмента на стандартную величину.
2. Предельной скоростью съема металла. Максимальная скорость, с которой материал может быть обработан при стандартной минимальной стойкости инструмента.
3. Силами резания. Силы, действующие на инструмент (измеренные динамометром при определенных режимах), или потребляемая мощность.
4. Шероховатостью поверхности. Шероховатость поверхности, достигаемая при определенных режимах резания.
5. Формой стружки. На форму стружки влияет процесс деформирования при стандартных режимах резания.
Насколько это возможно, все указанные критерии обрабатываемости принимаются во внимание при рассмотрении каждой группы обрабатываемых материалов. Вначале рассматриваются металлы и сплавы, имеющие наилучшую обрабатываемость.
Обрабатываемость сталей и сплавов
Обрабатываемость — это совокупность свойств обрабатываемого материала, определяющая максимальную стойкость инструмента. Обычно обрабатываемость какого-то материала рассматривают в сравнении с обрабатываемостью эталонного материала, имеющего достаточно широкое распространение.
Под обрабатываемостью материала при резании в металлургии принимают интенсивность съема стружки в единицу времени при оптимальном инструментальном материале, режиме, геометрии инструмента и качестве обработанной поверхности.
Группы обрабатываемости сложнолегированных сталей и сплавов приведены в табл. 13. В теоретическом плане обрабатываемость зависит от химического состава сталей и сплавов. Поэтому нижерассматриваемая классификация сталей и сплавов имеет ограниченное применение, тем более, что пополнение групп новыми марками в заводских условиях осуществляется по ближайшей аналогии химического состава.
Показанная на рис. 32 зависимость обрабатываемости специальных сталей и сплавов от процентного содержания легирующих элементов носит общий закономерный характер при значительном числе труднообъяснимых отклонений. Создание более совершенной классификации материалов по обрабатываемости, помимо практического опыта и химического состава сталей и сплавов, должно учитывать структуру, механические, теплофизические свойства металла, а также особенности поверхности, связанные с дефектным слоем и геометрией и др. Можно указать, например, на разницу в обрабатываемости между донной и прибыльной частями слитка из стали одной и той же марки.
где Cv — постоянная, определяемая из условий опыта;
xk — величина, отражающая совокупное влияние Глубины резания и подачи на скорость резания.
Величину Xk определяют по формуле
где a, b — длина активного участка соответственно главной и вспомогательной режущих кромок;
е1, е2 — углы, определяемые из системы уравнений:
где е — угол в плане при вершине.
К наиболее труднообрабатываемым материалам можно отнести: стали с интерметаллидным упрочнением аустенитного класса, никелевые окалиностойкие сплавы, никелевые жаропрочные стали с интерметаллидным упрочнением, кобальтовые жаропрочные сплавы, литейные жаропрочные стали и сплавы.
Жаропрочные стали аустенитного класса с интерметаллидным упрочнением (Х10Н20Т2, Х12Н20ТЗР, ОХ14Н28В3ТЮР, ХН35ВТЮ, ХН35ВМТ, Х15Н30ВМТ и др.) применяются для изготовления деталей газотурбинных двигателей. Эти стали изготавливаются на железной основе. Предел прочности достигает ов = 135 кгс/мм2, ударная вязкость ak = 12 кгс*м/см2, рабочая температура
750°С. Основной упрочняющей фазой в хромоникелевых сталях является ин-терметаллидная фаза y’.
К жаропрочным сплавам на никелевой основе относятся: Х77ТЮ, ХН70ВМТЮ, ХН80ТБЮ, содержащие Ti+Al и упрочняющиеся за счет образования интерметаллидной у’ фазы [Ni3(TiAl)], и сплавы типа ХН75ВМФЮ, ХН62ВМКЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТЮ и др., содержащие только Al и упрочняющиеся за счет образования фаз Ni3Al. Кроме того, известны зарубежные сплавы аналогичного класса: нимоник 80, инконель X, инко 500, удимет 500, рене 41 и т. д. Эти сплавы имеют предел прочности до 130 кгс/мм2, ударную вязкость до 15 кгс*м/см2 и рабочую температуру до 950°С; применяются для изготовления рабочих лопаток и других деталей газовых турбин.
Аналогичное применение имеют литейные жаропрочные стали и сплавы на никелевой основе типа ЖС6К, ВЖЛ8, Л114 и др., сохраняющие свои прочностные характеристики при нагреве до 1100°С, ударная вязкость этих материалов до 7 кгс*м/см2. В зависимости от легирования и термообработки в литейных сплавах образуются боридные и карбидные фазы, например (MoW)nCrmBr или МеnМе»mС, где Me’n — Ni, Co, Fe, Si, а Меm» — W, Mo, Nb, Cr.
Практически все вышеприведенные жаропрочные стали и сплавы имеют высокую дисперсность структуры, что препятствует развитию процессов скольжения и обусловливает увеличение энергетических затрат на их деформацию. Низкая теплопроводность способствует концентрации тепла близ контактных поверхностей, препятствует отводу тепла в обрабатываемую деталь, а также при больших толщинах среза распространению образующегося тепла вдоль всей зоны стружкообразования, что вызывает увеличение сил резания, ухудшает обрабатываемость и, как следствие, повышает затраты на обработку и увеличивает расход резцов (рис. 33).
При точении этих сталей и сплавов резцами из быстрорежущих сталей скорость резания с погрешностью до 25% (при стойкости T = 20 мин) можно определять по формуле
где X — коэффициент теплопроводности;
sВ — действительный предел прочности.
Значения коэффициента теплопроводности Л[Вт/(м°С)] для различных материалов при температуре испытаний 20° С (800° С);
где с — постоянная (для сталей и сплавов с интерметаллидным упрочнением ее величина на 30% меньше).
При точении титановых сплавов скорость можно определить по формулам
Скорости резания могут быть приближенно определены и по химическому составу:
— для сталей па ферритной основе с содержанием, %: до 1,2 С; 1Si; 0,8Mn; 12Cr; 3Ni; 4W; 0,6V и 0,7Мо
где Э. Эк — процентное содержание легирующих элементов, кроме титана, вместо которого берется содержание свободного не связанного с углеродом титана, Tiсв = Ti—5C;
iэ. iк — интенсивность влияния соответствующих легирующих элементов на скорость резания: iC = 1,5; iAl = 1,2; iTiсв = 0,6; iSi = 0,2; iMo = 0,06; iСo = 0,035; iMn = 0,03; iCr = 0,02; iW = 0,015; iNi = iNb = iV = 0.
При фрезеровании торцовыми быстрорежущими фрезами сталей и сплавов на ферритной, аустенитной и хромоникелевой основах скорость резания с погрешностью до 30% можно определять по зависимости
где с — постоянная величина;
Л — коэффициент теплопроводности;
sb — действительный предел прочности.
Для улучшения обрабатываемости металлов за счет снижения действительного предела прочности при предварительном точении и фрезеровании применяется разупрочняющая термическая обработка. Низкоуглеродистые стали (до 0,3% С) рекомендуется подвергать нормализации. Для получения удовлетворительной обрабатываемости сталей со средним содержанием углерода (0,35—0,55%) применяется отжиг, что позволяет получить структуру зернистого перлита. Высокоуглеродистые стали, предназначенные для черновой обработки, должны подвергаться сфероидизирующему отжигу и иметь структуру зернистого перлита.
Для инструментальных сталей целесообразно применять графитизирующий отжиг, при этом обрабатываемость улучшается не только за счет снижения твердости, но и за счет смазывающего действия графита.
Положительную роль в улучшении обрабатываемости играет применение смазочно-охлаждающих средств.
Кроме того, известно, что введение в сталь таких элементов, как сера, селен, теллур, свинец и др., позволяет повысить скорость резания на 15—25%, снизить усилия резания на 15—25%, улучшить качество поверхности и получить легко ломающуюся стружку.
Одним из наиболее перспективных методов улучшения обрабатываемости является предварительный подогрев металла перед обработкой резанием.
Улучшение обрабатываемости при резании с нагревом объясняется изменением физико-механических свойств обрабатываемого материала с увеличением температуры (рис. 34). В этих условиях наибольшее значение приобретает отношение контактных твердостей инструментального H1 и обрабатываемого H2 материалов. При постоянной стойкости уравнение обрабатываемости можно записать в виде
На рис. 35 приведена зависимость отношения твердостей H1/H2 от температуры для различных материалов.
Однако при равных остальных условиях отношение H1/H2 определяется в основном свойствами инструментального и обрабатываемого материалов, контактной температурой и скоростью деформации. Изменение сопротивления деформированию описывается дифференциальным уравнением
где а — сопротивление деформированию;
е — степень деформации
е’ — скорость деформаций.
С увеличением скорости деформации временная прочность материалов возрастает (см. рис. 34).
Температура в контакте зависит от условий обработки: переднего угла у (рис. 36), скорости резания v (рис. 37) и других факторов. Так как определение параметров e и e’ производится в условиях, значительно отличающихся от реально существующих в процессе резания, то в этом случае целесообразно пользоваться модифицированной температурой Tм, которая определяется по формуле
где Tк — температура в контакте;
К и е’0 — постоянные.
Постоянная е0 определяется при скорости деформации 10в-3 с-1. В практических условиях для определения расчетных значений сопротивления деформации о (кгс/мм2) можно рекомендовать следующее выражение:
где оо.д — предел текучести при статической деформации;
Kt, Kv, Ke — соответственно температурный, скоростной и степенной коэффициенты. Значения коэффициентов Kt, Кv и Ke для стали 12Х18Н10Т приведены на рис. 38.
Температура предварительного подогрева, соответствующая оптимальному снижению прочности обрабатываемого материала, изменяется от 850 до 1200° С. В этих условиях существенно изменяется характер износа инструмента. Кривая 4 (рис. 39), характеризующая суммарный износ инструмента, показывает резкое увеличение износа с увеличением температуры. Это объясняется превалирующим влиянием диффузионного и химического износов. Температурные зоны адгезионного, диффузионного и химического износов приведены на рис. 40. Сказанное выше справедливо при непрерывном контакте инструмента и заготовки, так как в этом случае как заготовка, так и инструмент в зоне контакта нагреты до температур, при которых интенсифицируются диффузионные и химические процессы. Таким образом Для эффективного использования предварительного нагрева можно наметить два пути. Первый — это прерывистое резание на высоких скоростях и при малых толщинах среза, например термофрезерование, когда время контакта зуба фрезы с нагретым металлом небольшое по сравнению с «отдыхом», что достигается применением фрез большого диаметра (до 2000 мм) при ширине фрезерования до 400 мм.
Второй путь — это использование предварительного нагрева.
Обработка поверхности пневмомолотками имеет место при выборочной зачистке проката на адъюстажах металлургических предприятий.
Для обработки мягких сталей (сталь 10, 40Х, 20ХН и др.) рекомендуется ширина зубила до 20 мм, угол заточки зубила 45—55°; для сталей типа 40ХН, 30ХГСА, 30ХСТ, ШХ15, 38X2MЮA и др. ширина зубила до 25 мм, угол заточки 55—65°.
Вырубка дефектов ведется после врезания под углом 50—70° при наклоне зубила на 25—45°
Из технологических требований при вырубке дефектов необходимо обеспечивать ширину вырубки не менее шестикратной ее глубины, при этом обработанная поверхность не должна иметь острых гребней, углублений и резких переходов.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Обрабатываемость металлов ( способность поддаваться обработке резанием) определяется комплексом физико-механических свойств обрабатываемого материала ( твердостью, вязкостью, прочностью и др.) и режущего инструмента, обусловливающих наивысшую производительность и чистоту обработанной поверхности. Последняя не всегда соответствует наивысшей производительности, иногда оба условия противоречат друг другу и вопрос обрабатываемости решается в зависимости от технологических требований, предъявляемых к изделию. [1]
Обрабатываемость металлов определяют методами, основанными на оценке изменений стойкости режущего инструмента при различных скоростях резания. Допустимую скорость резания как критерий оценки обрабатываемости применяют наиболее часто, так как скорость резания оказывает весьма существенное влияние на производительность, а следовательно, и на себестоимость обработки. Считается, что лучшую обрабатываемость имеет тот материал, который, при прочих равных условиях, допускает более высокую скорость резания. [2]
Обрабатываемость металлов характеризуется также шероховатостью обработанной поверхности ( что особенно важно при окончательных-чистовых операциях) и силами, действующими на инструмент в процессе резания. [4]
Обрабатываемость металла характеризуется его способностью подвергаться обработке резанием металлическим или абразивным инструментом. [9]
Обрабатываемость металлов резанием характеризуется их механическими свойствами: твердостью, прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. [10]
Какие технологии применяются при обработке металла
Человек издавна работает с разными видами металлов. Чаще всего, это прочные материалы, которые требуют специального подхода при изменении формы и размера. Обработка металла проводится на разных станках и с применением различных методик.
Обработка металла
Основные способы обработки
Основы металлообработки необходимо знать любому начинающему мастеру и литейщику. Зная, как себя ведут те или иные металлы при разных способах обработки, можно избежать ошибок при проведении технологического процесса.
Современная металлообработка включает в себя несколько основных направлений обработки:
Технология металлообработки развивается и улучшается с каждым годом. Появляется новое оборудование и варианты работы с металлами.
От чего зависит тип обработки
Виды металлообработки подразумевают под собой разные способы работы с металлами. Каждый из методов выбирается в зависимости от твердости материала и других его характеристик. Также на это влияет то, что нужно сделать с заготовкой. Например, для изменения технических характеристик материала используется термическая обработка. Чтобы изменить форму заготовки, может применяться механический способ или оборудование нагнетающее давление.
Электрическая обработка
Технология металлообработки с использованием электрических зарядов подразумевает под собой обработку материала с помощью специального оборудования. Они частично разрушают металлические заготовки.
Чтобы частицы металла не разлетались, в пространство, остающееся между электродом и обрабатываемой поверхностью, заливают специальное масло. Оно улавливает металлические частицы.
Механическая обработка
Существуют различные виды механической обработки металлов. Это самая большая группа способов обработки материала, в которых используются специальные инструменты и оборудование. Механическое усилие позволяет снимать с заготовки слой металла.
Механическая обработка
Сверление и точение
Сверление — это обработка металлов с помощью специального оборудования. Технология сверления делится на несколько этапов:
При выборе оснастки требуется учитывать характеристики обрабатываемого материала. Сверла выдерживают разные нагрузки.
Ещё одни распространённым видом механической обработки металла является точение. С помощью этого технологического процесса создаются детали цилиндрической и конусовидной формы. Метод сверления:
Классический принцип работы с методом сверления используется при работе с токарными станками. С помощью такого оборудования можно делать внутреннюю и наружную резьбу, а также изменять форму заготовки. Для этого используются различные резцы. Чтобы не навредить своему здоровью, требуется использовать защитные очки.
Шлифование и фрезерование
Ещё одним популярным способом обработки металла является фрезерование. Он похож на сверление. С помощью фрезы можно изготавливать различные углубления в металлических поверхностях, создавать резьбу, обрабатывать торцы заготовок. При вращении шпинделя оснастка снимает слой металла.
Также в процессе обработки металла и дерева используются абразивные материалы. Круг с напылением фиксируется на подвижном валу, которые раскручивается с помощью электродвигателя. От выбора фракции абразива зависит тип обработки. Чтобы очистить поверхность от толстого слоя ржавчины или металла, требуется использовать абразивные круги с крупными частицами. Для финишной работы подходит мелкая фракция.
Шлифовальная обработка
Обработка давлением
Если механические виды обработки металлов не подходят и требуется сохранить целостность заготовки, мастера могут применять оборудование, работающее с давлением. Технологические процессы в этом случае разделяются на две группы:
Сейчас при ковке используются пневматические молоты и промышленные печи.
Химическая обработка
Чтобы понимать, как влияют химические вещества на заготовку, требуется знать, чем обработать металл. С помощью химикатов очищаются металлические поверхности от ржавчины и грязи. Также применяя гальванический процесс, позволяющий нанести защитное покрытие на заготовку. Химические вещества улучшает показатели устойчивости к коррозийным процессам. Существует несколько методов обработки материала химическими веществами:
Также материалы могут покрываться защитным слоем алюминия.
Термообработка
Технология обработки металлов с помощью увеличения температуры используется для улучшения характеристик материала. Помимо правильного нагрева, деталь требуется охладить с определённой скоростью. Термическая обработка разделяется на несколько операций.
Термообработка металла
Отжиг
Чтобы повысить показатели пластичности и ковкости, к заготовке применяется процесс отжига. Его суть заключается в том, чтобы разогреть материал до определённой температуры, а затем оставить его остужать в печи. Проводится этот процесс, чаще всего, после литья. Таким образом снимается внутреннее напряжение.
Закалка
В первую очередь материал разогревается до температуры плавления. Далее он выдерживается в таком состояние определённый промежуток времени. За это время изменяется структура материала. Она становится прочнее. После нагревания заготовку опускают в воду или масла для быстрого охлаждения. Обработка металла с помощью закалки осуществляется для того, чтобы повысить твердость материала. Однако при этом снижается его вязкость и увеличивается хрупкость.
Отпуск
Этот технологический процесс выполняется после закалки. При отпуске материал разогревается до определенной температуры, а затем медленно охлаждается. Хрупкость детали уменьшается.
Старение
Считается одним из способов декоративного оформления материала. Заготовка медленно разогревается до определённой температуры. После проведения этого технологического процесса, металл изменяется до такого визуального состояния, как будто он длительное время старел в естественных условиях.
Нормализация
Чтобы повысить ковкость материала без ущерба показателю твердости, выполняется нормализация заготовки. Во время этого процесса металл принимает мелкозернистую структуру.
Особенности художественной обработки
Основы металлообработки включают в себя не только изменение формы и размеров заготовки, но и их декоративную обработку. Мастер может создавать отдельные изделия, или украшать уже готовые металлические конструкции. Существует 4 процесса металлообработки, позволяющих изменить внешний вид детали:
Все виды декоративной работы с металлом подразумевают под собой изначальное разогревание заготовки. Чем выше пластичность, тем проще работать с деталями.
Сварочная технология считается новой в сравнении с остальными. Её активное развитие начинается со второй половины 20 века. С помощью сварочного аппарата можно разрезать металлические листы и соединять детали между собой.
Металл является твердым материалом, работая с которым нужно использовать специальное оборудования и разогревать заготовку. Обработка позволяет изменить размер и форму детали, а также улучшить её технические характеристики. С помощью методов декоративной работы с материалом можно украшать изделия, улучшая их внешний вид.