Резка металла: основной процесс удаления металла при производстве стальных конструкций
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Определение и базовая концепция
Черновая обработка — это начальный процесс удаления материала при металлообработке, при котором из заготовки быстро снимается избыточный материал, приближающийся к требуемым размерам, оставляя достаточный запас для последующей доводки. На этом этапе приоритет отдается скорости удаления материала по сравнению с качеством поверхности или точностью размеров, обычно оставляя 0,5-3 мм материала для окончательной обработки.
В материаловедении и инженерии черновая обработка представляет собой важный баланс между эффективностью производства и металлургическими аспектами. Процесс должен максимизировать удаление материала, управляя при этом тепловыми и механическими напряжениями, возникающими в микроструктуре заготовки.
В более широком поле металлургии черновая обработка находится на пересечении механической обработки и эволюции микроструктур. Она инициирует преобразование из сырья в готовый компонент и закладывает основу для последующих операций, определяющих конечные свойства и характеристики материала.
Физическая природа и теоретические основы
Физический механизм
На микроструктурном уровне черновая обработка вызывает значительную пластическую деформацию в поверхностных и подповерхностных слоях стали. Резание создает локализованные зоны сдвига, температура в которых может превышать 600°C, вызывая динамическое рекристаллизацию и возможные фазовые превращения в затронутом материале.
Механизм резания включает три основные зоны деформации: первичную зону сдвига (где образуются стружки), вторичную зону деформации (на интерфейсе инструмента и стружки) и третичную зону деформации (где взаимодействует новая обработанная поверхность с фланцем инструмента). В этих зонах происходят разные скорости деформации, температуры и напряженное состояние, которые совместно изменяют микроструктуру.
Теоретические модели
Модель круга Мерчанта представляет собой основную теоретическую основу для понимания механики черновой обработки. Эта модель ортогонального резания связывает силы резания, геометрию инструмента и свойства материала через векторный анализ сил, действующих на интерфейсе инструмент-заготовка.
Исторически понимание развивалось с работ Э Ernst и Мерчанта 1940-х годов до современных моделей конечных элементов. Ранние модели рассматривали сталь как однородное сплошное тело, а современные учитывают микроструктурные особенности.
К различным теориям относятся теория пластического деформирования на основе сдвиговых линий, модель Юлонга-Кука для деформации при высоких скоростях и более новые модели кристаллического пластичности, учитывающие механизмы деформации зерен.
Основы материаловедческих наук
Черновая обработка непосредственно взаимодействует с кристаллической структурой стали, вызывая дислокации и потенциально изменяя границы зерен. Высокие скорости деформации могут привести к уточнению зерен у обработанной поверхности или, наоборот, к росту зерен при доминировании тепловых эффектов.
Микроструктура стали значительно влияет на металлорежущие свойства. Ферритные структуры обычно обрабатываются легче, чем мартенситные, а наличие и морфология карбидов влияют на износ инструмента и качество поверхности.
Процесс связан с фундаментальными принципами материаловедческих наук, такими как укрепление за счет деформации, тепловое размягчение и чувствительность к скорости деформации. Эти противоборствующие механизмы определяют качество поверхности и микроструктурные изменения в подповерхностных слоях при черновой обработке.
Математические выражения и методы расчетов
Базовая формула определения
Скорость удаления материала (MRR) при черновой обработке определяется как:
$$MRR = a_p \times f \times v_c$$
где $a_p$ — глубина реза (мм), $f$ — подача (мм/об), $v_c$ — скорость резания (м/мин).
Связанные формулы расчетов
Сила резания при черновой обработке может быть оценена по формуле:
$$F_c = k_c \times a_p \times f$$
где $F_c$ — сила резания (Н), а $k_c$ — коэффициент силы резания (Н/мм²), варьирующийся в зависимости от материала.
Мощность, необходимая для черновой обработки, рассчитывается как:
$$P = \frac{F_c \times v_c}{60 \times 1000} \text{ (кВт)}$$
Условия применения и ограничения
Эти формулы предполагают стационарные условия резания и не учитывают эффекты входа/выхода инструмента или вариации из-за вибраций.
Модели имеют ограничения при превышении определенных скоростей резания, при которых тепловое размягчение преобладает над укорочением за счет деформации, обычно выше 200-300 м/мин для углеродистых сталей.
Расчеты предполагают однородные свойства материала и не учитывают микроструктурные вариации, включения или историю предварительной обработки, которые могут создавать локализованные различия свойств.
Методы измерения и характеристика
Стандартные методы испытаний
ASTM E3-11: Стандартное руководство по подготовке металлографических образцов — включает оценку обработанных поверхностей и эффектов в подповерхностных слоях.
ISO 8688-1: Тестирование из стойкости инструментов при фрезеровании — обеспечивает стандартные методы оценки черновой обработки.
ASME B5.54: Методы оценки производительности числовых управляемых станков — включает протоколы измерения возможностей черновой обработки.
Оборудование и принципы испытаний
Профилометры шероховатости поверхности измеряют топографию обработанных поверхностей, обычно с помощью стилусных или оптических методов для определения Ra, Rz и других параметров текстуры.
Динамометры, установленные на станках, измеряют силовые показатели во время черновой обработки, предоставляя данные в реальном времени о стабильности процесса и состоянии инструмента.
Металлографические микроскопы и сканирующие электронные микроскопы (SEM) изучают изменения микроструктуры, вызванные черновой обработкой, в том числе для оценки образования белого слоя и подповерхностной деформации.
Требования к образцам
Стандартные металлографические образцы требуют срезания перпендикулярно обработанной поверхности, затем закрепления, шлифовки, полировки и травления для выявления микроструктурных особенностей.
Подготовка поверхности должна исключать дополнительную деформацию, которая могла бы скрыть эффекты, вызванные обработкой, обычно используются аккуратные электролитические полировки.
Образцы должны быть репрезентативны для фактических условий производства, включая тепловую обработку и параметры резания, используемые в процессе изготовления.
Параметры испытаний
Стандартные испытания обычно проводятся при комнатной температуре (20-25°C), за исключением случаев оценки обработки при повышенных температурах.
Диапазон скоростей резания для черновой обработки обычно составляет 50-300 м/мин для углеродистых и сплавных сталей, подача — 0,1-1,0 мм/об.
Ключевыми параметрами являются геометрия инструмента (угол реза, угол съема), метод подачи охлаждающей жидкости и характеристики жесткости станка.
Обработка данных
Основной сбор данных включает измерения сил с частотой 1-10 кГц для фиксации транзиентных эффектов резания.
Статистический анализ включает дисперсионный анализ (ANOVA) для определения значимых факторов, влияющих на эффективность черновой обработки, и регрессионный анализ для построения предиктивных моделей.
Окончательные значения поверхности обычно определяются как среднее по нескольким измерениям по поверхности для учета направленных вариаций и локальных неровностей.
Типичные диапазоны значений
| Класс стали | Типичный диапазон шероховатости поверхности (Ra) | Типичная глубина реза | Референсный стандарт |
|---|---|---|---|
| low carbon steel (1018, 1020) | 3.2-12.5 μм | 2-5 мм | ISO 2632 |
| Среднеуглеродистая сталь (1045) | 3.5-15 μм | 1.5-4 мм | ISO 2632 |
| Легированная сталь (4140, 4340) | 4.0-16 μм | 1-3 мм | ISO 2632 |
| Режущая сталь (D2, A2) | 5.0-20 μм | 0.5-2 мм | ISO 2632 |
Вариации в рамках каждого класса в основном связаны с различиями в микроструктуре, твердости и распределении карбидов. Более высокий содержание углерода и легирующих элементов обычно увеличивают силы резания и шероховатость поверхности.
Эти значения служат начальными ориентировками в планировании процесса, при этом фактические результаты зависят от жесткости станка, состояния инструмента и выбранных параметров резания.
Заметно, что с увеличением твердости материала максимальная допустимая глубина реза уменьшается, а достигаемые значения шероховатости поверхности чаще всего увеличиваются.
Анализ инженерных применений
Конструкторские решения
Инженеры обычно выделяют запасы материала для черновой обработки в пределах 0,5-3 мм на каждую поверхность, причем для литых или кованых заготовок запас обычно больше, для предварительно обработанных — меньше.
Запас по мощности для черновой обработки обычно включает коэффициент безопасности 20-30% сверх расчетных требований, чтобы учесть износ инструмента и неоднородность материала.
При выборе материала следует учитывать показатели готовности к обработке, предпочтительны марки с хорошей обработкой (free-machining), чтобы снизить издержки производства и износ инструмента.
Основные области применения
Производство тяжелой техники широко использует черновую обработку для крупных стальных деталей, таких как блоки двигателей и балки, где объем снятого материала может превышать 70% от начальной заготовки.
Производство авиационных компонентов также является важной областью, где черновая обработка элементов шасси и каркасов должна балансировать эффективность снятия материала и строгое управление остаточными напряжениями.
Производство штампов и форм использует черновую обработку для формирования базовой геометрии перед точной доводкой, при этом все чаще применяются адаптивные траектории инструмента для поддержания однородной нагрузки на инструмент при переменных условиях материала.
Потенциальные компромиссы по характеристикам
Объем снятого материала напрямую противоречит целостности поверхности: более высокая скорость удаления вызывает повышение температуры и механической энергии, что может привести к повреждению подповерхностных слоев и остаточным напряжениям.
Срок службы инструмента обратно связан с производительностью черновой обработки, поэтому инженерам приходится балансировать между экономией времени и увеличением частоты замены инструмента.
Инженеры обычно используют многоступенчатые стратегии обработки, начиная с максимально быстрого снятия материала, а затем переходя к более легким операциями доводки.
Анализ отказов
Разлом инструмента — распространенная причина отказов при черновой обработке, вызванная чрезмерными силами резания, недостаточной поддержкой или несоответствующими параметрами резания.
Механизм отказа обычно начинается с термического трещинообразования или скалывания режущего края, постепенно ухудшаясь до полного разрушения, что может повредить и заготовку, и станок.
Стратегии снижения риска включают правильный выбор геометрии и покрытия инструмента, внедрение систем мониторинга состояния инструмента и адаптивное управление параметрами резания на основе обратной связи с силой в реальном времени.
Факторы влияния и методы контроля
Влияние химического состава
Содержание углерода значительно влияет на характеристики черновой обработки: стали с средним содержанием углерода (0,4-0,6%) обычно обеспечивают оптимальный баланс прочности и обрабатываемости.
Малое содержание серы резко улучшает обрабатываемость за счет образования включений сульфида марганца, которые действуют как внутренние разрушители стружки и снижают трение на интерфейсе инструмент-стружка.
Оптимизация состава для черновой обработки часто включает добавление элементов для свободной обработки (S, Pb, Bi) или контроль морфологии включений через обработку кальцием в процессе производства стали.
Влияние микроструктуры
Более мелкие зерна обычно улучшают качество поверхности при черновой обработке, однако могут увеличивать силы резания и износ инструмента за счет повышения прочности.
Распределение фаз существенно влияет на механику обработки: ферритно-перлитные микроструктуры легче обрабатываются, чем мартенситные, благодаря меньшей твердости и лучшему формированию стружки.
Твердые включения, такие как оксиды алюминия или нитриды титана, ускоряют износ инструмента за счет абразивных воздействий при черновой обработке.
Влияние обработки
Отжиг перед черновой обработкой улучшает механику — за счет ослабления микроструктуры и снижения остаточных напряжений. Влияние горячего проката проявляется в формировании стружки и поверхности, чем перпендикулярное к направлению прокатки обычно дает лучшие результаты.
Скорость охлаждения перед теплообработкой влияет на размер и распределение карбидов: более медленное охлаждение ведет к образованию больших и более разреженных карбидов, что улучшает обрабатываемость.
Экологические факторы
Повышенные температуры снижают прочность и увеличивают пластичность стали, что потенциально улучшает обрабатываемость, но может влиять на точность размеров из-за теплового расширения.
Коррозионные воздействия со стороны режущей жидкости могут ускорять износ инструмента посредством химических взаимодействий при высоких температурах, возникающих при черновой обработке.
Эффекты упрочнения материала со временем усиливаются при прерывистых резаниях, требуя коррекции параметров резания по мере обработки детали.
Методы улучшения
Контролируемая инженерия включений — это металлургический подход для повышения обрабатываемости, предусматривающий определенную морфологию и распределение сульфидных включений, способствующих разрушению стружки.
Применение высокого давления охлаждающей жидкости увеличивает эффективность черновой обработки за счет проникновения в интерфейс инструмент-стружка, снижения трения и более эффективного удаления стружки из зоны резания.
Использование траектории обработки Trochoidal позволяет оптимизировать черновую обработку, поддерживая стабильное взаимодействие инструмента и уменьшая силы, что снижает износ и повышает качество поверхности.