Odrezovalnost materiala
Pojem odrezovalnost pri strojni obdelavi označuje lastnost, da je neko operacijo mogoče izvajati brez prevelikih težav.
“kako enostavno je mogoče obdelati material z rezalnim orodjem, glede na predpisane tolerance dimenzij, oblik in površine”
Glede na motnje v procesu in hitrost proizvodnje (produktivnost) pa lahko odrezovalnost materiala postane kompleksen dejavnik, ki bolj opisuje izid postopka kot specifične lastnosti obdelovanca.
Pri tem lahko rečemo, da je bolje odrezovalen material:
-ki ga lahko obdelujemo z večjo rezalno hitrostjo
-kjer so rezalne sile manjše
-kjer je poraba moči za odrezovanje manjša
-kjer dosežemo boljšo kvaliteto površine
-kjer so odrezki ugodnejših oblik
Kateri od teh parametrov ima največjo težo in pomembnost? Se lahko spreminjajo med obdelavo ? Nekateri parametri so kritični med grobo obdelavo, nekateri pa so bolj kritični med končno fino obdelavo. Ko razvrščamo različne materiale po odrezovalnosti, ni nujno, da dobimo enak vrstni red denimo za vrtanje in za struženje. Da bi imeli kriteriji odrezovalnosti tudi praktično vrednost, morajo biti torej prilagojeni za izbrano operacijo.
Poleg zapletenosti koncepta odrezovalnosti obstaja potreba po posploševanju in primerjanju odrezovalnosti na racionalen in učinkovit način.
Zato raje odrezovalnost na enostaven način povežemo z obdelovanim materialom.
Lastnosti obdelovanega materiala s katerim je določena odrezovalnost so:
Odrezovalnost je določena predvsem s petimi glavnimi lastnostmi obdelovanega materiala, ki vplivajo na odrezovalnost materiala same po sebi in v kombinaciji z drugimi lastnostmi. Te lastnosti so:
- duktilnost
- deformacijsko utrjenost, tj. povečanje napetosti tečenja zaradi deformacij,
- trdota in preoblikovalni odpor,
- abrazivnost in nagnjenost k obrabi,
- majhna toplotna prevodnost in/ali majhna specifična toplota.
1.Duktilnost in sprijemnost.
1.Duktilnost in sprijemnost. Duktilnost je lastnost materiala, da prenese plastično deformacijo, ne da bi se zlomil. Večjo deformacijo kot je material sposoben prenesti brez preloma zaradi krhkosti, bolj je duktilen.
Duktilni materiali se lahko močno raztegnejo ali upognejo, preden pride do preloma, kar pomeni, da se ob mehanskem obremenjevanju deformirajo v plastični način in absorbirajo veliko energije.
Tipični primeri duktilnih materialov so kovine, kot so baker, aluminij, in železo. Duktilnost se pogosto meri z raztezkom ali zmanjšanjem preseka materiala po prelomu. Večja duktilnost pomeni, da je material bolj odporen proti nenadnim zlomom in lahko prenese velike deformacije, kar je koristno v inženirskih aplikacijah, kjer je potrebna varnost in vzdržljivost.
Duktilni (visoko duktilni) materiali se med struženjem oz. odrezavanjem pogosto plastično deformirajo, kar lahko povzroči težave, kot so dolgi, zviti odrezki, ki otežujejo odvajanje odrezkov in lahko poškodujejo orodje ali obdelovanec. Takšni materiali zahtevajo poseben način odrezovanja, da se prepreči pregrevanje ali nalaganje odrezkov na rezilo.
Materiali z nizko duktilnostjo (kot so krhki materiali) se ob odrezovanju ponavadi drobijo v kratke odrezke, namesto da bi se plastično deformirali. Kratki odrezki omogočajo lažje odstranjevanje in preprečujejo, da bi se odrezki zvijali okoli orodja. To vodi do bolj nadzorovane obdelave. Primeri so lito železo ali keramika, ki sta sicer trda, vendar ju je zaradi te lastnosti mogoče stružiti brez pretiranih težav z nalepki. Torej – lažje je stružiti material z nizko duktilnostjo.
Nizko duktilni materiali se med obdelavo manj deformirajo, kar omogoča lažji nadzor nad odrezavanjem in kakovostnejšo obdelavo površine.
Po izkušnjah pa so duktilni materiali zelo lepljivi materiali, togi in z velikim pretrgnim raztezkom
Adhezija ali lepljenje med delovnim materialom in rezalnim orodjem (in njegovimi prevlekami) je eno od vedenj, zaradi katerih je postopek rezanja zelo zapleten in ga je velikokrat težko predvideti.. Oprijem je lahko velik problem obdelovalnosti, v nekaterih primerih pa je lahko včasih tudi prednost. Če je trdnost spoja med orodjem in obdelovancem dovolj močna, bo orodje zaščiteno pred obrabo in tako dolgo življenjsko dobo orodja. Če je vez šibkejši in se nakopičeni material nalaga neredno, lahko pride do zelo progresivne in hitre obrabe. Razlika med tema dvema primeroma je lahko zelo majhna. Le zelo majhne razlike v lastnostih materiala lahko dramatično vplivajo na funkcionalnost postopka rezanja.
Material, ki se na rezalni rob lepi slabo, le za kratek čas in pogosto odpade, privede do hitre in progresivne obrabe rezalnega orodja, ki jo imenujemo adhezivna obraba.
Rezalni pogoji:
- Rezalna hitrost (vc): Duktilni materiali omogočajo visoke rezalne hitrosti. Pri jeklih se lahko uporabljajo hitrosti med 150 in 250 m/min, pri aluminiju tudi do 1000 m/min, pri bakru in zlitinah pa se hitrost prilagodi glede na želeno kakovost površine.
- Podajanje (f): Podajanje se izbere glede na velikost radija konice in zahtevano kakovost površine. Običajne vrednosti se gibljejo med 0,1 in 0,3 mm/obrat, za boljšo površinsko obdelavo pa lahko še manj.
- Globina reza (ap): Globina reza je odvisna od stabilnosti sistema orodje-obdelovanec-stroj. Za duktilne materiale se pogosto uporabljajo globine med 1 in 3 mm, za grobo obdelavo pa tudi večje
2.Deformacijsko utrjevanje, je povečanje napetosti tečenja zaradi deformacij. Ko kovine deformirajo se jim poveča njihova trdota in trdnost. Trdota se jim lahko toliko poveča, da jih ne moremo več obdelovat.
Zaradi deformacijskega utrjevanja materiala, so po končani obdelavi prisotne precejšnje razlike v lastnostih materiala na različnih delih obdelovanca. Zunanja plast ima pogosto precej večjo trdoto. V njej se lahko pojavijo površinske razpoke, ki škodljivo vplivajo na funkcijske lastnosti obdelane površine.
Odrezana površinska plast bo imela veliko večjo trdoto kot nedeformiran material. Povečana trdota rezanega površinskega sloja ima za posledico povečano robno obremenitev, zaradi česar je večji pomik očitna izbira pri končni obdelavi teh materialov.
Pri deformacijsko utrjeni plasti moramo upoštevati tudi to, da se bo skozi njo moral prebiti še naslednji rezalni rob. Ta pojav lahko povzroči zarezno obrabo rezalnega roba. Rezalni rob se hitreje obrablja v predelu, kjer je v stiku s trdo plastjo
Kovine ponovno zmehčamo z deformacijskim žarjenjem.
Deformacijsko utrjevanje v kombinaciji z nizko toplotno prevodnostjo povzroči relativno slabo odrezovalnost, kot na primer avstenitna nerjavna jekla.
3. Toplotna prevodnost močno vpliva na odrezovalnost materialov. Pri materialih z dobro toplotno prevodnostjo se nastala toplota zlahka odvaja iz območja rezanja v okolico, predvsem z odrezki, pri materialih s slabšo toplotno prevodnostjo pa se toplota prenaša v rezalni rob.
Nižja ko je toplotna prevodnost materiala obdelovanca, bolj se bo toplota koncentrirala na rezalni rob, kar ima za posledico previsoke temperature rezalnega roba in pogosto pojavljajočih se plastičnih deformacijah rezalnega orodja, če napredovanje temperature ni nadzorovano.
Specifična toplota obdelovanega materiala je dejavnik, ki ima sorazmerno največji vpliv na temperaturo v procesu – ko se specifična toplota poveča za en odstotek, se temperatura v procesu zniža za več °C. Dejstvo, da se po odrezovalnosti razlikujejo sorodne vrste jekel z različno kemično sestavo je predvsem posledica razlik v njihovi specifični toploti.
Materiali, kot so superzlitine, imajo slabo toplotno prevodnost
Toplotna prevodnost Ti6/4 je okoli 17W/mK, to je cca. 1/7 od jekla in okoli cca. 1/50 od bakra.
Želimo si da največ toplote gre z odrezki. Pri C45 ki ima dobro toplotno prevodnost (cca. 46 W/mK) , gre največ toplote z odrezki in orodje se ne segreva. Pri titanu oziroma njegovi zlitini pa ne, ker ima majhno toplotno prevodnost je v bistvu izolator, zato gre več toplote na orodje in posledično se orodje več segreje. Zato je pomembno hlajenje.
4.Trdota in preoblikovalni odpor, oziroma odpornost materiala proti vdiranju tujega telesa v njegovo površino. Tudi odpornost telesa proti obrabi. Večja trdota tudi pomeni slaboe odrezovalnost.
Povečana odpornost proti deformacijam pogosto povzroči večje rezalne sile in s tem večjo rezalno odpornost. Trdota materiala je običajno neposredno povezana z odpornostjo materiala na deformacijo in rezalno odpornostjo. Pričakuje se, da bo material z različno trdoto ustvaril različne rezalne sile. Material bo proizvedel kratke odrezke odrezke.Na splošno lahko trdimo, da je treba trdi material za delo srečati s trdim materialom za orodje. Obstajajo pa še drugi pomembni parametri orodja, kot je geometrija orodja. Geometrija orodja mora uravnotežiti visok rezalni upor.
5. Abrazivnost in nagnjenost k obrabi, povezano s trdoto. Rezalno orodje, ki obdeluje zelo abraziven material, je podvrženo visoki stopnji abrazivne obrabe. Abrazivna obraba nastopi, ko trda in groba površina drsi po mehkejši. Definirana je kot izguba materiala zaradi delovanja trdih delcev ali izstopajočih oblik, ki se premikajo po trdni površini pod vplivom zunanje sile. Abrazivno obrabo običajno klasificiramo glede na tip in pogoje kontakta. Za abrazivne materiale je značilna relativno visoka vsebnost abrazivnih in obrabnih delcev v prvotni kovini. Delci so pogosto zelo trdi karbidi ali oksidi, ki povzročajo abrazivno obrabo rezalnega orodja. Izbira materiala orodja je zato pogosto karbidna trdina, ki ima zadostno žilavost. Ker pa sta diamant in CBN super trda orodna materiala, se tudi pogosto uporabljata v aplikacijah z abrazivnimi obdelovanci.
Uporaba polarnih diagramov v praksi
Materiali skupine ISO P
Razred P pokriva aplikacije obdelave materialom ki tvorijo dolge odrezke: dinamične obremenitve rezalnega roba so majhne, materiali pa so nagnjeni k lepljenju na rezalni rob. Rezalno orodje je izpostavljeno majhnim tlačnim napetostim, majhno pa je tudi tveganje plastične deformacije. Aplikacije v tem razredu imajo oznake od P01 do P50: obdelave v skupini P01 zahtevajo največjo obstojnost proti obrabi, tiste iz skupine P50 pa največjo žilavost.
jeklo je širok nabor materialov, od nelegiranih do visokolegiranih materialov, vključno s feritnimi in martenzitnimi nerjavnimi jekli. Obdelovalnost je dobra, vendar lahko opazimo več razlik v trdoti materiala in nekaterih mehanskih lastnostih.
Jeklo je definirano kot zlitina, sestavljena iz železa, Fe in ogljika, C, z vsebnostjo ogljika manj kot 2% mase. Poleg tega se lastnosti jekla lahko spremenijo za različne namene z zlitjem z drugimi kovinskimi elementi, kot so krom (Cr), nikelj (Ni) in molibdenij (Mo) itd., na primer za povečanje odpornosti proti koroziji.
Klasifikacija materialov obdelovancev po ISO P vključuje kovine, ki se imenujejo jekla. Medtem ko jekla ne predstavljajo očitnih izzivov strojne obdelave na ravni materialov, kot so letalske zlitine, odporne na toploto, ki se uporabljajo v letalski industriji, so jeklene zlitine in železa materiali obdelovanca, ki se najpogosteje uporablja v vseh industrijah. Tako široka uporaba je povzročila razvoj velike izbire jeklenih zlitin z različnimi fizikalnimi lastnostmi, ki povzročajo različne težave pri odrezu kovin. Zaradi teh težav je strojna obdelava jekel ISO P poleg gospodarskih razlogov, ki izhajajo iz zahtev po proizvodnji velikega obsega, velik izziv za proizvajalce delov in tudi za izdelovalce orodij, ki se uporabljajo za njihovo strojno obdelavo
Osnovne smernice za strojno obdelavo materialov ISO P, npr. strojna obdelava jekla:
Visoka mehanska obremenitev(kar povzroči obrabo proste ploskve in kraterja)
Velika globina reza in veliko podajanje.
Izberemo tako rezalno hitrost, da uravnotežimo življenjsko dobo orodja z ekonomično obravnavo proces.
Vsestranske karbidne trdine in ustrezno geometrijo rezanja za uravnoteženje z izbranim podajanjem.
Priporočljivo je hlajenje z emulzijo (4–6 %), hlajenje .
Materiali skupine ISO M
Nerjavna jekla so iz legiranih materialov z najmanj 12 % kroma. Druge zlitine lahko vključujejo nikelj in molibden. Različni pogoji, kot so feritna, martenzitna, avstenitna in avstenitna feritna (dupleks), ustvarjajo veliko izbiro materialov. Med vsemi temi materiali je običajno, da so rezilni robovi izpostavljeni visoki toploti, obrabi in nalepku na robovih.
Čeprav ga nadomeščajo feritna nerjavna jekla za nekritične namene, je avstenitno nerjavno jeklo najpogostejša izbira, ko je korozija zaskrbljujoča. Na voljo je široka paleta avstenitnih kvalitet, ki so optimirane za odpornost proti koroziji v različnih okoljih. Povečana vsebina Cr, Mo in N izboljša odpornost proti koroziji, hkrati pa zmanjša obdelovalnost. Dodatki za legiranje ti lahko prispevajo k abrazivni obrabi orodja.
Dupleksna nerjavna jekla so sestavljena iz približno enakih količin ferita in avstenita. Združujejo večjo odpornost proti koroziji v primerjavi z avstenitnimi razredi, kar pomeni, da je mogoče uporabiti manj materiala in zmanjšati težo. Vsebujejo tudi manj niklja kot ustrezna jekla avstenitne kakovosti, kar je pogosto stroškovna prednost.
Avstenitna in dupleksna nerjavna jekla se utrjujejo z deformacijo. Dodajanje žvepla (več kot 0.020 %) lahko znatno poveča obdelovalnost teh materialov, lahko pa vpliva tudi na druge lastnosti, kot so odpornost proti koroziji, varljivost in razteznost. Zaradi tega se material iz palice pogosteje obdeluje zaradi boljše obdelovalnosti kot npr. material iz plošče.
Pogosto se uporablja pri aplikacijah , ki zahtevajo manjšo odpornost proti koroziji. Feritni material je zaradi omejene vsebnosti
Primeri uporabe so:
gredi za črpalke,
turbine,
parne in vodne turbine,
matice,
vijake,
grelniki tople vode,
industrija celuloze in živilskopredelovalne industrije zaradi nižjih zahtev glede odpornosti proti koroziji.
Osnovne smernice za strojno obdelavo materialov ISO M, npr. Strojna obdelava nerjavnega jekla:
Glavni problem je visoka toplotna obremenitev in površinska trdota (kar povzroča kompleksno obrabo proste ploskve in kraterja, obrabo zarez, plastično deformacijo)
Velika globina reza in veliko podajanje
Izberemo tako rezalno hitrost, da uravnotežimo življenjsko dobo orodja z ekonomično obravnavo procesa, vendar treba pazit da pri določeni rezalni hitrostih ne nastane nalepek.
Namensko karbidne vrste in ustrezno geometrijo rezanja za uravnoteženje z izbranim podajanjem.
Priporočljivo je hlajenje z bogato emulzijo (8–12 %).
Materiali skupine ISO K
V razred K uvrščamo obdelave materialov, ki tvorijo kratke odrezke, povezane pa so z razmeroma velikimi dinamičnimi obremenitvami rezalnega roba. Podskupine (KO1, K10 … K40) se znatno razlikujejo po statičnih obremenitvah rezalnega roba. V skupini KO1 so aplikacije obdelave kaljenih materialov z velikimi kontaktnimi pritiski, skupina K40 pa nasprotno zahteva žilavost orodja, še posebej pri obdelavah s prekinitvami.
Lito železo je v nasprotju z jeklom vrsta materiala s kratkimi odrezki. Sive železove litine (GCI) in temprane železove litine (MCI) je precej enostavno strojno obdelati, medtem ko so nodularne železove litine (NCI), kompaktne železove litine (CGI) in bakreno ulite litine (ADI) težavnejše. Vse železove litine vsebujejo SiC, ki je zelo abraziven do rezalnega roba.Uporaba:
S sorazmerno nizkim tališčem, dobro fluidnostjo, sposobnostjo litja, odlično obdelovalnostjo, odpornostjo proti deformacijam in odpornostjo proti obrabi je lito železo postalo inženirski material s širokim spektrom uporabe in se uporablja za cevi, stroji in deli avtomobilske industrije, kot so, glave cilindrov, bloki cilindrov,ohišja menjalnika.
Odporen je na poškodbe zaradi oksidacije.
Problem so visoke tribološke obremenitve (kar povzroči obrabo proste ploskve in nastanka kraterja)
Osnovne smernice za strojno obdelavo materialov ISO K, npr. osnovna obdelava litega železa:
Velika globina reza in veliko podajanje
Izberemo tako rezalno hitrost, da uravnotežimo življenjsko dobo orodja z ekonomično obravnavo proces
Namenske karbidne kvalitete: debelejša in obrabno odporna oplaščenja.
Suho rezanje je mogoče, vendar je treba zaradi zdravstvenih razlogov uporabljati hlajenje emulzij (grafitni prah).
Materiali skupine ISO N
Neželezne kovine so mehkejše kovine, kot so aluminij, baker, medenina itd. Aluminij z 13 % vsebnostjo Silicija je zelo abraziven.
Aluminijeve zlitine so postale zaželeni materiali za zmanjšanje teže, ki ga zahteva transportna industrija . Ko je aluminij čist, je mehak in korozijsko odporen material. Legiranje z elementi, kot sta na primer baker ali magnezij, zagotavlja materialom večjo trdnost . Silicij je dodan, da daje aluminijevi zlitini odpornost proti obrabi, vendar to povzroči visoko stopnjo obrabe ploščice, če se hitrost rezanja ne zmanjša.
Problem je duktilnost in oprijemljivost teh materialov na rezalne materiale (kar povzroča obrabo robov in razpoke na rezalnih robovih)
Osnovne smernice za materiale ISO N, npr. za strojno obdelavo aluminija:
Velika globina reza in veliko podajanje.
Visoke hitrosti rezanja, da se čim bolj izognemo nastajanju nalepkov na rezalnem orodju.
Namenske karbidne kvalitete in ostro geometrijo rezanja.
Priporočljivo je hlajenje z emulzijo.
Materiali skupine ISO S
proti toploti odporne super zlitine vključujejo veliko število visokolegiranih materialov na osnovi železa, niklja, kobalta in titana. So lepljivi, ustvarjajo nalepek, se strdijo med delom (utrjevanje pri obdelavi) in ustvarjajo toploto. So zelo podobni materialom ISO M, vendar jih je veliko težje rezati in skrajšujejo obstojnost orodja na robovih ploščice.
V sektorju odrezovanja kovin so med najbolj zahtevnimi materiali obdelovancev za obdelavo toplotno odporne superzlitine (HRSA) in titanove zlitine. Te zlitine, ki so razvrščene kot materiali ISO S ali samo kot materiali S, se uporabljajo predvsem za komponente, ki potrebujejo visoko odpornost proti koroziji in lezenju, ter za delovanje z visoko trdnostjo pri ekstremnih temperaturah. Visoko razmerje med težo in močjo je še ena pomembna lastnost, ki povzroči izbiro titana namesto običajnih kovin.
Sestavni deli s temi značilnostmi so zahtevani v različnih izdelkih:
pristajalno podvozje
reaktivni motorji
nosilci motorja
parne turbine
deli za nafto in plin
vsadki z zahtevami za biološko združljivost, kot so proteze kolena, kolka in zob
Materiali skupine ISO H
Materiali razreda H pokrivajo obdelavo trdih železovih zlitin, kaljenega jekla in trdih ali kaljenih ulitkov
Kaljeno jeklo se uporablja za izdelavo kovinskih izdelkov, ki so izpostavljeni visokim stopnjam sile ali obrabe. Nekateri avtomobilski deli so na primer izdelani iz tega materiala, še posebej tisti, ki se uporabljajo za tovornjake. Ročno orodje in vrtalne konice so pogosto sestavljeni iz te vrste jekla, prav tako pa tudi številni noži.
Ena od glavnih prednosti kaljenega jekla je njegova dodatna odpornost proti obrabi in drgnjenju. Ta material lahko prenese pogoste obrabe in velike obremenitve brez poškodb ali okvar. Poleg tega je bolje odporen na rjo in korozijo kot pri standardnih jeklenih izdelkih.
Osnovne smernice za strojno obdelavo materialov ISO H, npr. strojna obdelava kaljenega jekla:
Zelo visoke mehanske obremenitve (kar povzroči obrabo proste ploskve in kraterja ter lom rezalnih robov)
Majhna do srednje velika globina reza in pomika
Izberemo tako rezalno hitrost, da uravnotežimo življenjsko dobo orodja z ekonomično obravnavo proces
Priporočljivo je hlajenje z emulzijo (4 %–6 %)
Zaključek: