Материалы, обрабатываемые резанием

Материалы, применяемые в машиностроении для изготовления деталей машин и механизмов, приборов, аппаратов, воспринимающих силовую нагрузку, называют конструкционными материалами. Они подразделяются на три класса:

• металлы (сплавы на основе железа, никеля, меди, алюминия, магния, титана и других металлов);
• неметаллы (пластические массы, керамика, стекло, резина ит.д.);
• композиционные материалы.

В машиностроении самыми распространенными и традиционно обрабатываемыми резанием являются металлические конструкционные материалы, поэтому в книге будут рассмотрены только процессы обработки металлов резанием на металлорежущих станках. Обработке резанием подвергают следующие металлы: чугуны, стали, цветные металлы и их сплавы.

Чугуном называют сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем и другими элементами, причем содержание углерода составляет 2,14...4,5 %. Обработке резанием наиболее часто подвергают серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

Марки серого чугуна обозначают буквами СЧ (С — серый, Ч — чугун) и двумя цифрами, означающими предел прочности при растяжении. Например, СЧ 18 — серый чугун, предел прочности при растяжении 180 МПа.

В зависимости от механических свойств различают серые чугуны малой (СЧ 10...СЧ 18) и повышенной (СЧ 20...СЧ 35) прочности. Для изготовления деталей машин чаще применяют чугун марок СЧ 15; СЧ 20; СЧ 30 и реже — чугун марки СЧ 35. Твердость серого чугуна НВ 163...269.Высокопрочный чугун получают введением в жидкий серый чугун магния (0,3... 1%) или его сплава с никелем, медью, алюминием или кремнием. Марки этого чугуна обозначают буквами ВЧ (В—высокопрочный, Ч — чугун) и двумя группами цифр: первая означает предел прочности при растяжении, а вторая — относительное удлинение. Например, ВЧ 45-5 — высокопрочный чугун, предел прочности при растяжении σ_в = 450 МПа, относительное удлинение δ=5%. Твердость высокопрочного чугуна НВ 156...269.

Ковкий чугун отличается высокой вязкостью. Марки этого чугуна обозначают буквами КЧ (К — ковкий, Ч — чугун) и двумя группами цифр, первая означает предел прочности при растяжении, а вторая — относительное удлинение. Например, КЧ 50-4 — ковкий чугун, предел прочности при растяжении σ_в = 500 МПа, относительное удлинение δ=4%.

На обрабатываемость литых заготовок из серого чугуна резанием существенно влияет поверхностный слой металла — литейная корка, толщина которой 0,15...0,5 мм, а твердость НВ 285...321. По мере удаления от поверхности твердость чугуна снижается (НВ 187...229).

Скорость резания в зоне литейной корки на 20...30 % меньше скорости резания внутренних слоев металла. Высокотемпературный отжиг чугунных отливок позволяет увеличить скорость резания в 1,5 ...2 раза.

Сталью называют сплав железа с углеродом (до 2 %) и другими элементами. Большое влияние на обрабатываемость стали оказывает ее химический состав. С увеличением содержания углерода повышается механическая прочность стали и, как следствие, возрастает ее сопротивление резанию, но увеличивается шероховатость поверхности. При обработке стали с малым содержанием углерода (0,1 ...0,25 %) достигается лучшая шероховатость поверхности. По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные.

Марки углеродистых сталей обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6 (например, СтЗ). Чем больше цифра в обозначении марки стали, тем выше содержание углерода. Марки углеродистых качественных конструкционных сталей обозначают цифрами (08; 10; 15; 20; 25 и т.д.), которые показывают среднее содержание углерода в стали (в сотых долях процента). Например, содержание углерода в стали 15 около 0,15 %. Предел прочности при растяжении (временное сопротивление разрыву) для углеродистых сталей σ_в= 300...700 МПа, он возрастает с увеличением содержания углерода; твердость НВ ≤ 230.

Марки конструкционных повышенной и высокой обрабатываемости резанием сталей — автоматных — обозначают буквой А (автоматная сталь) и цифрами (содержание углерода в сотых долях процента), например А12; А20; АЗО и A35. Предел прочности этих сталей σ_в = 600...800 МПа (для холоднотянутой стали) и σ_в= 400... 700 МПа (для горячекатаной стали); твердость НВ 160... 207. Повышенное содержание серы в автоматных сталях обеспечивает необходимое стружкообразование при работе на станках, т. е. они лучше подвергаются обработке, чем углеродистые стали как обыкновенного качества, так и высококачественные.

Марки легированных сталей обозначают цифрами и буквами (например, 15Х; 40ХН; ЗОХГС; 20ХНЗАит.д.). Цифры показывают среднее содержание в стали углерода в сотых долях процента, буквы за цифрами — наличие легирующего элемента (например, Р — бор; Ю — алюминий; С — кремний; Т — титан; Ф — ванадий; X — хром; Г — марганец; Н — никель; М — молибден; В — вольфрам), цифры после букв — содержание легирующего элемента в процентах (целые единицы), буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. Предел прочности легированных сталей σ_в = 700... 1300 МПа (в зависимости от марки). Повышение содержания некоторых легирующих элементов (таких, как хром, молибден, ванадий, вольфрам, никель) увеличивает прочность и снижает теплопроводность сталей, что приводит к ухудшению их обрабатываемости. Наличие кремния ухудшает обрабатываемость стали из-за образования силикатных абразивных включений. Стали с крупнозернистой структурой обрабатываются режущим инструментом лучше, чем стали с мелкозернистой структурой.

В ряде случаев для улучшения обрабатываемости стальные заготовки подвергают предварительной термической обработке. Твердость после отжига НВ 180...270, а после термической обработки HRC 42...55.

Наиболее часто на металлорежущих станках обрабатывают заготовки из следующих цветных металлов: бронзы, латуни и дюралюминия.

Бронза — это сплав меди с оловом, алюминием, марганцем, кремнием и другими элементами.

Марки бронзы обозначают буквами Бр, затем — начальными буквами основных элементов, вошедших в сплав, и цифрами, которые показывают среднее содержание этих элементов в процентах. Например, бронза БрОЦСЗ-12-5 содержит в среднем 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца и 80 % меди. Для улучшения обрабатываемости и антифрикционных свойств в состав бронз вводят свинец.

Латунь — это сплав меди с цинком. Марки латуни обозначают буквой JI и цифрами, которые показывают среднее содержание меди (в процентах). Например, латунь JI62 содержит 62 % меди и 38 % цинка. Для лучшей обрабатываемости в латунь вводят 1...2% свинца (автоматная латунь), а для повышения прочности — алюминий, никель и другие элементы. Например, латунь ЛЖМц59-1-1 содержит 59% меди, 1% железа, 1% марганца и 39 % цинка.

Дюралюминий — это деформируемый сплав алюминия с медью (4...5 %), магнием (0,5 %), марганцем, кремнием и железом. Обозначение марок дюралюминия (Д1; Д6; Д16 и т.д.) не связано с его химическим составом.