คุณสมบัติทางกายภาพและทางกลและประสิทธิภาพการตัดของวัสดุที่ตัดได้ยากโดยทั่วไป

ด้วยความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีวัสดุ รวมถึงการพัฒนาเทคนิคการเตรียมวัสดุอย่างต่อเนื่อง ทำให้มีวัสดุใหม่ๆ เกิดขึ้นมากมายในสาขาการผลิต วัสดุเหล่านี้ส่วนใหญ่มีคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลโดยรวมที่ค่อนข้างดี แต่มีประสิทธิภาพในการตัดโลหะต่ำมาก จึงถูกเรียกว่าวัสดุที่ตัดเฉือนได้ยาก คุณสมบัติเชิงกลเฉพาะตัวของวัสดุที่ตัดเฉือนได้ยากก่อให้เกิดความยากลำบากในการตัดมากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการกลึงรูลึกที่เรียวเล็กเป็นพิเศษ ซึ่งกลายเป็นปัญหาทางเทคนิคในการผลิต บทนี้มุ่งเน้นไปที่คุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกล รวมถึงประสิทธิภาพในการตัดของวัสดุทั่วไปหลายชนิดที่ตัดเฉือนได้ยาก

แนวคิดพื้นฐานของการแปรรูปโลหะ

เมตริกสำหรับการวัดความสามารถในการตัดเฉือนของวัสดุโลหะ

ความสามารถในการตัดเฉือนของวัสดุโลหะ หมายถึง ความง่ายในการตัดภายใต้สภาวะการตัดที่กำหนด ระดับความยากของการตัดเฉือนจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสภาวะการตัดและข้อกำหนด ความสามารถในการตัดเฉือนของวัสดุโลหะเป็นแนวคิดเชิงสัมพัทธ์ และโดยทั่วไปจะวัดโดยใช้ตัวชี้วัดสี่ประการ ได้แก่ คุณภาพพื้นผิว อายุการใช้งานของเครื่องมือ แรงตัดจำเพาะ และการควบคุมเศษโลหะ

1. คุณภาพพื้นผิว

โดยทั่วไปแล้ว ความสามารถในการตัดเฉือนของชิ้นส่วนเครื่องจักรกลจะวัดจากความหยาบผิว ยิ่งความหยาบผิวหลังการตัดเฉือนต่ำเท่าใด ความสามารถในการตัดเฉือนก็จะยิ่งสูงเท่านั้น สำหรับชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำและมีข้อกำหนดพิเศษ ความลึกของชั้นเมทามอร์ฟิกบนพื้นผิวที่ตัดเฉือน ความเค้นตกค้าง และระดับการแข็งตัวจะถูกใช้เพื่อวัดความสามารถในการตัดเฉือน เนื่องจากความลึก ความเค้นตกค้าง และระดับการแข็งตัวของชั้นเมทามอร์ฟิกส่งผลโดยตรงต่อเสถียรภาพของรูปร่างและขนาดของชิ้นส่วน รวมถึงค่าการนำไฟฟ้า ค่าการนำไฟฟ้า และความต้านทานการคืบคลาน 2. ความทนทานของเครื่องมือ ความสามารถในการตัดเฉือนของวัสดุโลหะวัดจากความทนทานของเครื่องมือ ความทนทานของเครื่องมือหมายถึงเวลาตัดทั้งหมดตั้งแต่เริ่มต้นการตัดจนกระทั่งการสึกหรอถึงมาตรฐานความทื่อของเครื่องมือ ความทนทานของเครื่องมือ (1) ภายใต้สภาวะความทนทานของเครื่องมือเดียวกัน จะมีการตรวจสอบความเร็วตัดที่อนุญาตให้ตัดวัสดุชิ้นงาน ตัวบ่งชี้นี้เป็นตัวบ่งชี้ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการวัดความสามารถในการตัดเฉือน ความเร็วตัดที่อนุญาตแสดงเป็น vy ซึ่งหมายความว่า เมื่อความทนทานของเครื่องมือเท่ากับ T (นาที) ค่าความเร็วตัดที่อนุญาตสำหรับการตัดวัสดุโลหะ ยิ่งค่า vy มาก แสดงว่าชิ้นงานมีความสามารถในการตัดเฉือนที่ดีขึ้น โดยทั่วไป T = 60 นาที สำหรับวัสดุที่ตัดยาก T = 30 นาที หรือ T = 15 นาที หาก T = 60 นาที ความเร็วตัด v สามารถแสดงเป็น v60 ได้

(2) ภายใต้สภาวะการตัดเดียวกัน ให้ตรวจสอบค่าความทนทานของเครื่องมือเมื่อตัดวัสดุชิ้นงาน ยิ่งค่าความทนทานของเครื่องมือสูง ความสามารถในการตัดเฉือนชิ้นงานก็จะยิ่งดีขึ้น

(3) ภายใต้สภาวะการตัดเดียวกัน ให้ตรวจสอบปริมาตรของโลหะที่ถูกดึงออกเมื่อตัดวัสดุชิ้นงานตามมาตรฐานความทื่อของเครื่องมือ ยิ่งปริมาตรการตัดโลหะมากเท่าใด ความสามารถในการตัดเฉือนชิ้นงานก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น

3. แรงตัดหน่วย

เมื่อกำลังของเครื่องมือเครื่องจักรไม่เพียงพอหรือระบบเครื่องมือเครื่องจักร-อุปกรณ์-เครื่องมือ-ชิ้นงานมีความแข็งแกร่งไม่เพียงพอ มักใช้แรงตัดหน่วยเพื่อวัดความสามารถในการตัดของชิ้นงาน

4. ความยากในการควบคุมชิป

ความสามารถในการควบคุมทิศทางการไหลของเศษโลหะได้อย่างมีประสิทธิภาพและทำลายเศษโลหะได้อย่างน่าเชื่อถือนั้น ถือว่าดีในด้านความสามารถในการแปรรูป เช่น การเจาะรูลึก การเจาะรูลึก การเจาะรูลึกด้วยเครื่องเจาะ ฯลฯ มิฉะนั้น ความสามารถในการแปรรูปจะต่ำ ในการผลิตจริง มักใช้ความสามารถในการแปรรูปสัมพัทธ์เพื่อวัดความสามารถในการแปรรูปของวัสดุโลหะที่กำลังแปรรูป โดยใช้ค่า V ของเหล็ก 45 (ความแข็ง 170-229 HB, ความแข็งแรง θ = 0.637 GPa) เป็นเกณฑ์มาตรฐาน แสดงเป็น (V60) อัตราส่วน k ของค่า V ของวัสดุโลหะอื่นๆ ต่อ (V60) เรียกว่าความสามารถในการแปรรูปสัมพัทธ์ กล่าวคือ k = V60/(V60)j

ความสามารถในการตัดเฉือนสัมพันธ์ของวัสดุโลหะที่ใช้กันทั่วไปสามารถแบ่งออกได้เป็น 8 ระดับ ดังแสดงในตาราง 3.1

ปัจจัยที่มีผลต่อความสามารถในการตัดเฉือนวัสดุโลหะ

ความสามารถในการตัดเฉือนวัสดุโลหะเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของวัสดุ องค์ประกอบทางเคมี สถานะการอบชุบด้วยความร้อน โครงสร้างทางโลหะวิทยา ความต้องการในการตัดเฉือน และสภาวะการประมวลผล

1. ความแข็ง

1) อิทธิพลของความแข็งของวัสดุชิ้นงานที่อุณหภูมิห้อง

โดยทั่วไปแล้ว วัสดุประเภทเดียวกันที่มีความแข็งสูงกว่าจะมีความสามารถในการตัดเฉือนต่ำกว่า เมื่อความแข็งของวัสดุสูง ความยาวของหน้าสัมผัสระหว่างเศษโลหะและหน้าตัดจะลดลง ทำให้แรงเค้นปกติบนหน้าตัดเพิ่มขึ้นและความร้อนจากแรงเสียดทานสะสมบนพื้นผิวสัมผัสของเครื่องมือและเศษโลหะขนาดเล็ก นำไปสู่อุณหภูมิการตัดที่สูงขึ้นและการสึกหรอที่เพิ่มขึ้น ความแข็งของชิ้นงานที่สูงเกินไปอาจทำให้เกิดการไหม้และการบิ่นที่ปลายเครื่องมือ รูปที่ 3.1 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความแข็งและความสามารถในการตัดเฉือนของเหล็กกล้าคาร์บอน

2) ผลกระทบของความแข็งของวัสดุชิ้นงานที่อุณหภูมิสูงต่อความสามารถในการตัดเฉือน

ยิ่งวัสดุชิ้นงานมีความแข็งที่อุณหภูมิสูงมากเท่าใด ความสามารถในการตัดเฉือนก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น เมื่ออุณหภูมิในการตัดสูงขึ้น ความแข็งของวัสดุเครื่องมือจะลดลง และอัตราส่วนความแข็งของวัสดุเครื่องมือต่อความแข็งของวัสดุชิ้นงานก็จะลดลงเช่นกัน ส่งผลให้การสึกหรอของเครื่องมือเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น โลหะผสมนิกเกิลที่ทนความร้อนสูงและเหล็กกล้าทนความร้อนจะมีความแข็งที่อุณหภูมิสูงค่อนข้างสูงและมีความสามารถในการตัดเฉือนต่ำมาก

3) ผลกระทบของจุดแข็งในวัสดุชิ้นงานต่อความสามารถในการตัดเฉือน

ยิ่งจุดแข็งในวัสดุชิ้นงานมีความคมและกระจายตัวมากเท่าไหร่ ความสามารถในการตัดเฉือนก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น จุดแข็งส่งผลต่อการสึกหรอของเครื่องมือในสองลักษณะ ประการแรก ความแข็งสูงของจุดแข็งอาจทำให้เกิดการเสียดสีกับเครื่องมือ ประการที่สอง จุดแข็งละเอียดที่ขอบเกรนของชิ้นงานจะเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งของวัสดุ เพิ่มความต้านทานต่อการเสียรูปจากแรงเฉือนระหว่างการตัด ส่งผลให้ความสามารถในการตัดเฉือนของวัสดุลดลง

4) ผลกระทบของคุณสมบัติการทำให้วัสดุแข็งตัวต่อความสามารถในการตัดเฉือน

ยิ่งวัสดุชิ้นงานมีคุณสมบัติการชุบแข็งจากการทำงานสูงเท่าใด ความสามารถในการตัดเฉือนก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น ยกตัวอย่างเช่น สเตนเลสออสเทนนิติกมีความแข็งผิวหลังการตัดเฉือนอย่างมีนัยสำคัญ โดยมีความแข็งระดับจุลภาคของพื้นผิวสูงกว่าความแข็งของวัสดุตั้งต้น 1.4 ถึง 2.2 เท่า เมื่อคุณสมบัติการชุบแข็งจากการทำงานเพิ่มขึ้น แรงตัดและอุณหภูมิก็จะสูงขึ้น เครื่องมือจะถูกขูดขีดจากเศษที่ชุบแข็ง ทำให้เกิดการสึกหรอที่ขอบด้านข้างรอง และการสึกหรอของเครื่องมือก็จะเพิ่มขึ้น

2. ความแข็งแกร่ง

ความแข็งแรงของวัสดุชิ้นงานประกอบด้วยทั้งความแข็งแรงที่อุณหภูมิห้องและความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง ความแข็งแรงที่อุณหภูมิห้องที่สูงขึ้นจะเพิ่มแรงตัด อุณหภูมิการตัดที่สูงขึ้น การสึกหรอของเครื่องมือที่สูงขึ้น และความสามารถในการตัดเฉือนที่ลดลง โดยทั่วไป ความสามารถในการตัดเฉือนจะลดลงเมื่อความแข็งแรงของโลหะเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิห้อง ค่า σ ของเหล็กกล้าผสม 20CrMo จะต่ำกว่าเหล็กกล้า 45 (650 MPa) เล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิ 600°C ค่า σ ของเหล็กกล้าผสม 20CrMo จะสูงกว่าเหล็กกล้า 45 (180 MPa) โดยสูงถึง 400 MPa ดังนั้น เหล็กกล้าผสม 20CrMo จึงมีความสามารถในการตัดเฉือนที่ด้อยกว่าเหล็กกล้า 45 ที่อุณหภูมิสูง

3. ความยืดหยุ่นและความเหนียว

สำหรับวัสดุที่มีค่าความเป็นพลาสติกสูง การเสียรูปพลาสติกจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากพื้นที่การเสียรูปพลาสติกที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้งานเสียรูปพลาสติกเพิ่มขึ้น สำหรับวัสดุที่มีความเหนียวสูง พื้นที่การเสียรูปพลาสติกอาจไม่เพิ่มขึ้นในระหว่างการเสียรูปพลาสติก แต่งานเสียรูปพลาสติกที่ดูดซับไว้จะเพิ่มขึ้น แม้ว่าสาเหตุจะแตกต่างกัน แต่ความเหนียวและความเหนียวที่เพิ่มขึ้นต่างก็นำไปสู่งานเสียรูปพลาสติกที่เพิ่มขึ้น สำหรับวัสดุชิ้นงานที่มีความแข็งแรงเท่ากัน ความเหนียวที่มากขึ้นจะส่งผลให้เกิดการเสียรูปพลาสติกที่มากขึ้นและปริมาณงานเสียรูปพลาสติกที่มากขึ้น ดังนั้น เมื่อตัดชิ้นงานดังกล่าว แรงตัดและอุณหภูมิจะสูงขึ้น และเครื่องมือจะไวต่อการยึดเกาะมากขึ้น ทำให้เครื่องมือสึกหรอและความหยาบของพื้นผิวเพิ่มขึ้น ดังนั้น ยิ่งวัสดุชิ้นงานมีความเหนียวมากเท่าใด ความสามารถในการตัดเฉือนก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น ความเหนียวที่ต่ำเกินไปจะทำให้ระยะสัมผัสระหว่างเครื่องมือและเศษโลหะสั้นลง ทำให้เกิดแรงตัดและความร้อนสะสมที่บริเวณขอบเครื่องมือ ซึ่งจะเพิ่มการสึกหรอของเครื่องมือ ความสามารถในการตัดเฉือนทั้งที่มากเกินไปและต่ำ (หรือความเปราะ) ของวัสดุชิ้นงานสามารถลดความสามารถในการตัดเฉือนได้ ยิ่งวัสดุชิ้นงานมีความเหนียวมากเท่าใด พลังงานและแรงตัดก็จะถูกใช้มากขึ้นในระหว่างการตัด และยิ่งผลกระทบของความเหนียวต่อการแตกของเศษวัสดุก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น ยิ่งวัสดุชิ้นงานมีความเหนียวมากเท่าใด ความสามารถในการตัดเฉือนก็จะยิ่งแย่ลงเท่านั้น

4. การนำความร้อนของวัสดุชิ้นงาน

ยิ่งชิ้นงานมีค่าการนำความร้อนสูงเท่าใด ความร้อนจะถูกนำพาโดยเศษโลหะและนำพาไปยังชิ้นงานมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งช่วยลดอุณหภูมิในบริเวณตัดเฉือนและปรับปรุงความสามารถในการตัดเฉือน ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าไร้สนิมและโลหะผสมนิกเกิลที่ทนความร้อนสูงมีค่าการนำความร้อนต่ำมาก เพียงหนึ่งในสามถึงหนึ่งในสี่ของเหล็ก 45 ทำให้วัสดุชิ้นงานเหล่านี้ไม่สามารถตัดเฉือนได้ อย่างไรก็ตาม วัสดุชิ้นงานที่มีค่าการนำความร้อนสูงจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นในระหว่างการตัดเฉือน ทำให้ยากต่อการควบคุมขนาดของการตัดเฉือน

5. องค์ประกอบทางเคมี

โดยทั่วไปแล้ว ความแข็งแรงและความแข็งของเหล็กกล้าจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณคาร์บอนที่เพิ่มขึ้น ในขณะที่พลาสติกและความเหนียวจะลดลง เหล็กกล้าคาร์บอนสูงมีความแข็งแรงและความแข็งสูงกว่า ส่งผลให้แรงตัดเพิ่มขึ้นและการสึกหรอของเครื่องมือเพิ่มขึ้น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำมีความพลาสติกและความเหนียวสูงกว่า ส่งผลให้การเสียรูปจากการตัดเพิ่มขึ้น เศษเหล็กหักยากขึ้น และความหยาบผิวเพิ่มขึ้น เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางอยู่ระหว่างสองชนิดนี้ ทำให้มีความสามารถในการตัดเฉือนที่ดีขึ้น เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความสามารถในการตัดเฉือนของเหล็กกล้า อาจมีการเติมธาตุผสม เช่น โครเมียม (Cr), นิกเกิล (Ni), วาเนเดียม (V), โมลิบดีนัม (Mo), ทังสเตน (W), แมงกานีส (Mn), ซิลิคอน (Si) และอะลูมิเนียม (Al) Cr, Ni, V, Mo, W และ Mn ช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งของเหล็กกล้า ในขณะที่ Si และ Al มีแนวโน้มที่จะเกิดอนุภาคแข็ง เช่น ซิลิคอนออกไซด์และอะลูมิเนียมออกไซด์ ซึ่งจะเพิ่มการสึกหรอของเครื่องมือ ปริมาณธาตุเหล่านี้ต่ำ (โดยทั่วไปจำกัดอยู่ที่ 0.3%) มีผลเพียงเล็กน้อยต่อความสามารถในการตัดเฉือนของเหล็กกล้า อย่างไรก็ตาม การเติมฟอสฟอรัส (P) เกิน 0.3% ส่งผลเสียต่อความสามารถในการตัดเฉือน การเติมกำมะถัน (S) ซีลีเนียม (Se) ตะกั่ว (Pb) บิสมัท (Bi) และแคลเซียม (Ca) ในปริมาณเล็กน้อยลงในเหล็กกล้าอาจทำให้เกิดการเจือปน เปราะ หรือเป็นสารหล่อลื่น ลดการสึกหรอของเครื่องมือและเพิ่มความสามารถในการตัดเฉือนของชิ้นงาน แม้ว่าการเติมฟอสฟอรัส (P) จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งของเหล็กกล้า แต่กลับลดความเหนียวและความเหนียวลงอย่างมาก ทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกของเศษเหล็ก รูปที่ 3.2 แสดงผลกระทบของธาตุต่างๆ ต่อความสามารถในการตัดเฉือนของเหล็กกล้าโครงสร้าง

6. โครงสร้างทางโลหะวิทยา

โครงสร้างทางโลหะวิทยาที่แตกต่างกันส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการตัดเฉือน โดยทั่วไป อัตราส่วนของเฟอร์ไรต์ต่อเพิร์ลไลต์ในเหล็กมีอิทธิพลต่อความสามารถในการตัดเฉือน เฟอร์ไรต์มีความเป็นพลาสติกสูง เพิร์ลไลต์มีความแข็งสูง และมาร์เทนไซต์มีความแข็งมากกว่าเพิร์ลไลต์ ดังนั้น ปริมาณเพิร์ลไลต์ที่ต่ำจึงทำให้ความเร็วในการตัดเฉือนสูงขึ้น ความทนทานของเครื่องมือสูงขึ้น และความสามารถในการตัดเฉือนดีขึ้น ในทางกลับกัน ปริมาณมาร์เทนไซต์ที่สูงกว่าจะทำให้ความสามารถในการตัดเฉือนลดลง