Обработка поверхности с помощью фрезерования: Метод подготовки поверхности для контроля качества стали

Определение и Основная концепция

Обрабатывание кожи — это процесс точной механической обработки, используемый в сталелитейной промышленности для снятия поверхностного слоя (кожи) сталепродуктов, особенно слэбов, болванок, брусков или листов. Этот процесс избирательно удаляет самый внешний слой материала, который обычно содержит дефекты поверхности, дутую декарбонизацию, шлак или другие пороки, образовавшиеся при препятствовании, прокатке или термообработке.

Основная цель обработки кожи — улучшение качества поверхности и размерной точности сталепродуктов перед последующей обработкой или окончательной передачей. Удаляя дефектный наружный слой, производители могут устранить поверхностные неровности, которые в противном случае могли бы привести к дефектам в готовом продукте.

В более широком контексте металлургической обработки обработка кожи представляет собой важный этап контроля качества, соединяющий первичное производство стали и дальнейшее изготовление. Она служит как исправительным процессом для коррекции дефектов поверхности, так и подготовительным этапом для обеспечения оптимальных условий последующих операций, таких как прокатка, ковка или сварка.

Физическая природа и теоретическая основа

Физический механизм

На микроструктурном уровне обработка кожи удаляет гетерогенный поверхностный слой стали, значительно отличающийся от основного материала. Этот слой часто содержит неметаллические включения, оксидные частицы и регионы с изменённым химическим составом вследствие взаимодействия с атмосферой во время обработки.

Внешняя кожа сталепродуктов обычно демонстрирует иные зернистые структуры по сравнению с ядром. Декарбонизация поверхности, при которой содержание углерода снижается вблизи поверхности из-за воздействия высокотемпературного кислорода, создает градиент механических свойств от поверхности к ядру. Обработка кожи удаляет этот нарушенный слой, чтобы открыть материал с однородными свойствами.

Процесс физически срезает металл на микроскопическом уровне, создавая новые поверхности путём разрыва атомных связей по кристаллографическим плоскостям. Механика резания включает пластическую деформацию перед режущим кромкой, а затем формирование и отделение стружки от заготовки.

Теоретические модели

Основная теоретическая модель, описывающая обработку кожи, — модель ортогонального резания, которая анализирует механику удаления материала как двумерный процесс. Эта модель, разработанная Мерчантом в 1940-х годах, описывает связь между резцовыми силами, геометрией инструмента и свойствами материала.

Исторически понимание обработки кожи развилось от эмпирической практики на заводе до научного анализа механики резки металлов. Работа в ранних 20-х годах Тейлора установила фундаментальные связи между параметрами резания и долгосрочной эксплуатацией инструмента, а поздние исследования Эрнста, Мерчанта и других развили всесторонние модели формирования стружки.

Современные подходы включают моделирование методом конечных элементов (FEM), которое симулирует сложные термомеханические взаимодействия во время резания, и моделирование на уровне молекулярной динамики, изучающее процесс на атомном уровне. Эти подходы отличаются от классических моделей тем, что учитывают чувствительность к скорости деформации, тепловые эффекты и эволюцию микроструктуры во время обработки.

Научная основа материаловедения

Обработка кожи тесно взаимодействует с кристаллической структурой стали, при этом сила резания вызывает движение дислокаций и пластическую деформацию. Эффективность процесса варьируется в зависимости от кристаллографической ориентации, так как некоторые системы скольжения активируются быстрее во время резания.

Границы зерен значительно влияют на процесс обработки. Более мелкозернистая структура как правило дает лучший финиш поверхности, тогда как грубозернистая может привести к неровностям или разрыву при механической обработке. Наличие различных фаз (феррит, перлит, мартенсит) влияет на силы резания и изнашивание инструмента.

Процесс связан с фундаментальными принципами материаловедения, такими как упрочнение за счет деформации (strain hardening), когда пластическая деформация увеличивает прочность материала, и тепловое размягчение, когда тепло, порождаемое резанием, снижает сопротивление материала. Баланс этих механизмов определяется характеристиками формирования стружки и качеством поверхности.

Математические выражения и методы расчета

Базовая формула определения

Объем снятого материала (MRR) при обработке кожи определяется как:

$$MRR = a_p \times a_e \times v_f$$

Где:
- $a_p$ = осевая глубина реза (мм)
- $a_e$ = радиальная ширина реза (мм)
- $v_f$ = подача (мм/мин)

Связанные формулы расчетов

Требуемая мощность резания для обработки кожи может быть вычислена как:

$$P_c = \frac{k_c \times MRR}{60,000}$$

Где:
- $P_c$ = мощность резания (кВт)
- $k_c$ = удельное силовое сопротивление (Н/мм²)
- $MRR$ = объем снятого материала (мм³/мин)

Шероховость поверхности можно оценить по формуле:

$$R_a \approx \frac{f_z^2}{8 \times r_\varepsilon}$$

Где:
- $R_a$ = арифметическая средняя шероховатость (μм)
- $f_z$ = подача на зуб (мм)
- $r_\varepsilon$ = радиус носа инструмента (мм)

Применение условий и ограничения

Данные формулы предполагают режим резания в условиях установившегося состояния без существенного износа инструмента или вибраций. Они подходят для обычных операций фрезерования при жесткой фиксации и правильном зацеплении инструмента.

Модели имеют ограничения при скорости резания, превышающей определённые пороги, при которых доминируют тепловые эффекты, обычно выше 300-400 м/мин для углеродистых сталей. При очень малых глубинах реза (менее 0,1 мм) эффекты размера становятся значительными, и модели теряют точность.

Эти уравнения предполагают однородные свойства обрабатываемого материала, что может не соответствовать сегрегированным или композитным материалам. Они также игнорируют динамические эффекты, такие как резонансные колебания, которые могут значительно изменить процесс снятия материала.

Методы измерения и характеристика

Стандарты испытаний

ASTM E3-11: Руководство по подготовке образцов для металлографических исследований — охватывает подготовку образцов для оценки качества поверхности при обработке кожи.

ISO 4287: Спецификации геометрических характеристик изделия (GPS) — текстура поверхности — содержит параметры для количественной оценки шероховатости после обработки кожи.

ASTM B46.1: Текстура поверхности — устанавливает методы измерения и отчета о свойствах поверхности обработанных изделий.

ISO 8688-2: Испытания стойкости инструмента при фрезеровании — определяет методики оценки работы инструмента при фрезеровании плоскости, включая обработку кожи.

Оборудование и принципы испытаний

Профилометры поверхности измеряют рельеф обработанной поверхности с помощью контактных стилусов или бесконтактных оптических методов. Эти приборы количественно определяют параметры, такие как средняя шероховатость (Ra) и максимальная высота профиля (Rz).

Координатно-измерительные машины (КИМ) оценивают размерную точность и плоскость поверхности. Они работают путём зондирования заготовки в заданных точках и сравнения измеренных координат с номинальными значениями.

Расширенные методы характеризуют поверхность с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), которая позволяет исследовать микроструктуру поверхности на высокой увеличительности, выявляя такие характеристики, как разрывы, размазывания или микротрещины, невидимые при обычном контроле.

Требования к образцам

Стандартные образцы должны иметь размеры, подходящие под измерительное оборудование, обычно длиной и шириной 100-200 мм для оценки шероховатости поверхности. Толщина должна обеспечивать устойчивость к деформации во время обработки, обычно не менее 10 мм.

Обработка поверхности требует аккуратности, чтобы избежать загрязнений или повреждений. Образцы следует очищать от технологической жидкости и загрязнений с помощью подходящих растворителей, не изменяя характеристики обработанной поверхности.

Образцы должны быть репрезентативными для условий производства, включая марку материала, состояние термообработки и процесс гидрометаллургии. Для сравнительных исследований рекомендуется сохранять контрольные образцы из необработанных областей.

Параметры испытаний

Стандартное испытание проводится при комнатной температуре (20±2°C), если не изучаются температурные эффекты. Влажность должна контролироваться в пределах 40-60% относительной влажности, чтобы предотвратить коррозию во время испытаний.

Измерения шероховатости поверхности обычно осуществляют с помощью стилуса по длине 5,6 мм и с закрепленным срезом 0,8 мм в соответствии с ISO 4288. Рекомендуется производить несколько измерений в разных направлениях, чтобы учесть направленную текстуру.

Измерения плоскости проводят при отсутствии внешних напряжений, обычно с опорой на три точки, чтобы избежать искажений из-за зажима.

Обработка данных

Основной сбор данных включает оцифровку профилей поверхности с интервалом 0,5-1 мкм для анализа шероховатости. Для размерных измерений собирают точечные облака с соответствующей плотностью (обычно с интервалом 1-5 мм).

Статистический анализ включает расчет средних значений и стандартных отклонений для параметров шероховатости. Выявление и устранение экстремальных значений с помощью критерия Шовенета или аналогичных методов обеспечивает целостность данных.

Финальные значения определяются путём усреднения нескольких измерений на репрезентативных участках образца. Для характеристик поверхности могут быть приведены как 2D-параметры (Ra, Rz), так и 3D-параметры (Sa, Sz), в зависимости от требований применения.

Типичные диапазоны значений

Класс стали	Типичный диапазон значений (шероховатость Ra)	Условия испытаний	Справочный стандарт
Углеродистая сталь (1020-1045)	0.8-3.2 μм	Твердосплавная вставка, 100-150 м/мин	ISO 4287
Легированная сталь (4140-4340)	1.2-4.0 μм	Твердосплавная вставка, 80-120 м/мин	ISO 4287
Нержавеющая сталь (304-316)	1.6-6.3 μм	Твердосплавная вставка, 60-100 м/мин	ISO 4287
Резцовая сталь (H13, D2)	0.4-1.6 μм	Путём CBN, 70-110 м/мин	ISO 4287

Вариации внутри каждого класса стали в основном обусловлены различиями в микроструктуре и твердости. Более высокий уровень углерода и легирующих элементов обычно увеличивают силы резания и могут ухудшить поверхность.

Эти значения служат ориентиром для контроля качества в производственной среде. Значения шероховатости ниже нижней границы могут свидетельствовать о чрезмерном износе инструмента или неправильных параметрах резания, а превышение верхней — о недостаточном качестве поверхности.

Общая тенденция показывает, что более твердые материалы требуют меньших скоростей резания, но при этом позволяют достичь более глубокого уровня отделки. Нержавеющие стали обычно демонстрируют наихудшую обрабатываемость из-за закалки при работе.

Анализ инженерных аспектов

Конструкторские соображения

Инженерам необходимо учитывать удаление материала при обработке кожи при установке исходных размеров. Обычно на дополнительные 1-3 мм с каждой стороны выделяют для обработки кожи на критически важных компонентах.

Запас по допускам после обработки кожи обычно составляет от 1,2 до 1,5, учитывая изменения в глубине резания, прогиб инструмента и тепловое расширение во время обработки. В более строгих случаях требуется больший запас.

При выборе материалов необходимо учитывать их обрабатываемость наряду с функциональными требованиями. Для компонентов, требующих значительной обработки кожи, предпочтение отдается материалам с хорошими характеристиками обработки, даже если это немного ухудшает механические свойства.

Основные области применения

В аэрокосмическом производстве обработка кожи важна для удаления кислородосодержащего слоя (альфа-кейса) из компонентов из титана. Это обеспечивает сопротивляемость усталости и предотвращает преждевременное разрушение в условиях высокой нагрузке, например, в деталях шасси и креплениях двигателя.

Автомобильная промышленность использует обработку кожи для плоскостей крышек цилиндров и сопряженных поверхностей блока двигателя. Эти применения требуют очень ровных поверхностей с контролируемой шероховатостью для обеспечения герметичности и равномерной нагрузки.

В штамповке и изготовлении форм обработка кожи удаляет зону термического воздействия, образовавшуюся после пламенной резки или электроэрозионной обработки проволочной EDM. Эта обработка устраняет микроразрывы и обеспечивает однородность твердости перед окончательной механической обработкой.

Торговые преимущества

Качество поверхности часто конфликтует с требованиями к производительности. Более тонкая отделка поверхности требует меньших скоростей подачи и многократных проходов, что снижает производительность и увеличивает стоимость.

Глубина удаления материала также связана с компромиссом. Более глубокие резы обеспечивают полное устранение дефектов поверхности, но при этом увеличивают расход материала и время обработки. Недостаточная глубина может оставить дефекты, ухудшающие работу компонента.

Инженеры балансируют эти требования, реализуя адаптивные стратегии обработки. Первичные черновые проходы удаляют основную часть дефектного слоя при высокой скорости снятия, а финальные проходы оптимизированы для качества поверхности.

Анализ отказов

Тепловое трещинообразование — распространённый режим отказа, связанный с неправильной обработкой кожи. Высокие скорости резания вызывают сильное повышение температуры, что приводит к возникновению остаточных растягивающих напряжений и микротрещин, особенно в закаленных сталях.

Механизм отказа обычно начинается с локального перегрева в процессе резания, за которым следует быстрое охлаждение, создающее термические градиенты. Эти градиенты вызывают остаточные напряжения, которые могут развиваться в трещины в эксплуатации, особенно при циклических нагрузках.

Меры по сокращению отказов включают правильный подбор режимов резания, использование эффективных систем охлаждения и обработку для снятия остаточных напряжений. В критических случаях применяют неразрушающий контроль, например, дефектоскопию с помощью красочного пропитки.

Факторы влияния и методы контроля

Влияние химического состава

Содержание углерода существенно влияет на обработку кожи. Более высокое содержание углерода (>0.4%) требует меньших скоростей резания и ведет к увеличению износа инструмента за счет повышения твердости и сопротивления истиранию.

Сера в малых количествах (0.1-0.3%) улучшает обрабатываемость за счет образования включений сульфида марганца, выступающих в роли внутренних разбивателей стружки. Но эти включения могут ухудшить качество поверхности в условиях высокой напряженности.

Оптимизация состава обычно включает балансирование между обработкой и механическими свойствами. Стали с добавками свинца, серы или висмута облегчают кожу, но могут снизить прочность или сваримость.

Влияние микроструктуры

Мелкозернистость обычно улучшает качество поверхности за счет более однородного сопротивления резанию. Размер зерен по ASTM 7–10 дает хорошие результаты для большинства сталей.

Распределение фазы существенно влияет на обработку. Микроструктуры феррит-перлита обрабатываются предсказуемее, чем мартенситные, что может привести к ускоренному износу инструмента и повреждению поверхности.

Неметаллические включения, особенно твердые окислы, могут вызывать откалывания инструмента и дефекты поверхности во время обработки кожи. Чистые стали с меньшим содержанием включений дают лучшую отделку.

Влияние обработки

Термическая обработка существенно влияет на обработку кожи. Отпущенные сталии обрабатываются проще, чем закаленные и отпускные, но могут испытывать большие деформации при резании.

Ранее холодное механическое обрабатывание увеличивает твердость за счет деформационного упрочнения, что требует корректировки параметров резания. Холоднокатаная поверхность обычно нуждается в более глубокой обработки кожи для достижения однородности.

Скорость охлаждения при затвердевании влияет на сегрегацию и распределение включений. Постучные заготовки чаще демонстрируют более однородные характеристики резания по сравнению с крупносортным материалом с выраженной сегрегацией.

Экологические факторы

Повышенная температура снижает прочность стали, что может улучшить обрабатываемость, но снижает стабильность размеров. При обработке кожи при температурах выше 200°C могут потребоваться специальные инструменты и изменённые параметры.

Коррозийные среды увеличивают износ инструмента из-за химического взаимодействия между охлаждающими жидкостями и материалами инструмента. Правильный подбор состава охлаждающей жидкости важен для достижения стабильных результатов.

Временные эффекты включают упрочнение за счет работы на холоде в условиях прерывистой обработки, когда частично обработанные поверхности затвердевают между проходами. Этот эффект особенно ярко проявляется при обработке аустенитных нержавеющих сталей и требует постепенного регулирования параметров.

Методы улучшения

Контролируемое инженерное включение неметаллических включений — это металловедческий метод оптимизации обработки кожи. Модификация состава и морфологии включений позволяет оптимизировать формирование стружки без потери механических свойств.

Использование высокого давления охлаждающей жидкости (70–100 бар) способствует выведению стружки и снижению температуры резания. Направленный струйный охлаждатель, прицельно направляемый в режущую кромку, значительно повышает износостойкость инструмента и качество поверхности.

Оптимизация траектории инструмента с помощью современных стратегий CAM может снизить отклонение и обеспечить равномерное снятие материала. Технологии вращения с приближением, такие как чередование по дуге, уменьшают радиальный контакт и силы резания, улучшая точность размеров.

Связанные термины и стандарты

Связанные термины

Обработка поверхности — это процессы, изменяющие характеристики поверхности без существенного снятия материала. В отличие от обработки кожи, которая удаляет определенный слой, обработка поверхности фокусируется на модификации текстуры посредством таких методов, как пескоструй или полировка.

Обрубка — это грубая обработка кожи, используемая для удаления крупных дефектов поверхности после литья или непрерывного ковочного производства перед основной формовкой. Обычно она снимает более глубокие слои (5-15 мм) по сравнению с точечной обработкой кожи.

Образование белого слоя — это металлургически изменённая зона поверхности, созданная в результате агрессивной обработки. Эта микроструктурная трансформация отличается характеристиками от основного материала и обычно избегается путём правильных параметров обработки кожи.

Эти термины представляют разные подходы к управлению качеством поверхности в цепочке обработки стали, при этом обработка кожи занимает промежуточное место как процесс средней точности.

Основные стандарты

ASTM A480/A480M устанавливает стандарты требований к плоским нержавеющим сталям, включая требования к отделке поверхности, достигаемой обработкой кожи. Он определяет конкретные обозначения отделки и допустимые уровни дефектов.

Европейский стандарт EN 10163 определяет условия поставки горячекатаных стальных листов, плит и полос, категорий поверхности, которые определяют объем требуемой обработки кожи.

Японский промышленный стандарт JIS G 0203 отличается от западных стандартов акцентом на визуальный контроль и количественные оценки, предоставляя подробную классификацию дефектов поверхности, которые нужно удалять при обработке кожи.

Тенденции развития

Современные исследования сосредоточены на системах адаптивного управления, которые в реальном времени контролируют силы резания и вибрации, автоматически регулируя параметры обработки для поддержания оптимальных условий, несмотря на вариации свойств материалов.

Непрерывно развивающиеся криогенные системы охлаждения с использованием жидкого азота или диоксида углерода обещают улучшить качество поверхности при обработке кожи высокопрочной стали. Эти методы существенно снижают температуру резания без экологических проблем, связанных с традиционными жидкостями.

Будущие разработки, вероятно, включат использование алгоритмов машинного обучения для предсказания оптимальных параметров обработки кожи на основе сертификатов материалов и истории предыдущих операций. Это снижение времени настройки и повышение однородности качества при различных партиях материалов.