คุณสมบัติทางกายภาพและทางกลและประสิทธิภาพการตัดของวัสดุที่ตัดได้ยากโดยทั่วไป

คุณสมบัติทางกายภาพและทางกลและประสิทธิภาพการตัดของวัสดุที่ตัดได้ยากโดยทั่วไป
ด้วยความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีวัสดุ รวมถึงการพัฒนาเทคนิคการเตรียมวัสดุอย่างต่อเนื่อง ทำให้มีวัสดุใหม่ๆ เกิดขึ้นมากมายในกระบวนการผลิต วัสดุเหล่านี้ส่วนใหญ่มีคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลโดยรวมที่ค่อนข้างดี แต่มีประสิทธิภาพในการตัดโลหะต่ำมาก จึงถูกเรียกว่าวัสดุที่ตัดเฉือนได้ยากในการผลิต คุณสมบัติเชิงกลเฉพาะตัวของวัสดุที่ตัดเฉือนได้ยากก่อให้เกิดความยากลำบากในการตัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการกลึงรูลึกที่เรียวเล็กเป็นพิเศษ ซึ่งกลายเป็นปัญหาทางเทคนิคในการผลิต บทนี้มุ่งเน้นไปที่คุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกล รวมถึงประสิทธิภาพในการตัดเฉือนของวัสดุทั่วไปหลายชนิดที่ตัดเฉือนได้ยาก
3.1 แนวคิดพื้นฐานของการแปรรูปโลหะ
3.1.1 เมตริกสำหรับการวัดความสามารถในการตัดเฉือนของวัสดุโลหะ
ความสามารถในการตัดเฉือนวัสดุโลหะ หมายถึง ความง่ายในการตัดโลหะภายใต้สภาวะการตัดที่กำหนด ระดับความยากของการตัดเฉือนจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสภาวะและข้อกำหนดของกระบวนการตัด ความสามารถในการตัดเฉือนวัสดุโลหะเป็นแนวคิดเชิงสัมพัทธ์ และโดยทั่วไปจะวัดโดยใช้ตัวชี้วัดสี่ประการ ได้แก่ คุณภาพพื้นผิว ความทนทานของเครื่องมือ แรงตัดจำเพาะ และการควบคุมเศษโลหะ 1. คุณภาพพื้นผิวการตัดเฉือน
โดยทั่วไป ความหยาบผิวของชิ้นส่วนเครื่องจักรกลจะใช้ในการวัดความสามารถในการตัดเฉือนวัสดุโลหะ ยิ่งความหยาบผิวของชิ้นส่วนหลังการตัดเฉือนมีค่าน้อย ความสามารถในการตัดเฉือนก็จะยิ่งสูงขึ้น สำหรับชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำและมีข้อกำหนดพิเศษ ความลึกของชั้นเมทาฟิกบนพื้นผิวที่ตัดเฉือน ความเค้นตกค้าง และระดับการชุบแข็งจะถูกใช้เพื่อวัดความสามารถในการตัดเฉือน เนื่องจากความลึก ความเค้นตกค้าง และระดับการชุบแข็งของชั้นเมทาฟิกส่งผลโดยตรงต่อเสถียรภาพของรูปร่างและขนาดของชิ้นส่วน ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็ก การนำไฟฟ้า และความต้านทานการคืบคลาน
2. ความทนทานของเครื่องมือ
ความทนทานของเครื่องมือใช้ในการวัดความสามารถในการตัดเฉือนวัสดุโลหะ ความทนทานของเครื่องมือหมายถึงเวลาตัดทั้งหมดของเครื่องมือที่ลับคมใหม่ตั้งแต่เริ่มต้นการตัดจนกระทั่งการสึกหรอถึงมาตรฐานความทื่อของเครื่องมือ ตัวบ่งชี้ความทนทานของเครื่องมือสามารถแบ่งออกได้เป็นสามกรณี:
(1) ภายใต้สภาวะความทนทานของเครื่องมือเดียวกัน จะมีการตรวจสอบความเร็วตัดที่อนุญาตสำหรับการตัดวัสดุชิ้นงาน ดัชนีนี้เป็นดัชนีที่ใช้กันทั่วไปในการวัดความสามารถในการตัดเฉือน ความเร็วตัดที่อนุญาตแสดงเป็น Vr ซึ่งหมายความว่า: เมื่ออายุการใช้งานของเครื่องมือคือ T (นาที) ค่าความเร็วตัดที่อนุญาตสำหรับการตัดวัสดุโลหะ ยิ่งค่า vy มาก แสดงว่าความสามารถในการตัดเฉือนของชิ้นงานดีขึ้น โดยทั่วไป T = 60 นาที สำหรับวัสดุที่ตัดยาก T = 30 นาที หรือ T = 15 นาที หาก T = 60 นาที ความเร็วตัด vy สามารถแสดงเป็น v60
(2) ภายใต้สภาวะการตัดเดียวกัน จะมีการตรวจสอบอายุการใช้งานของวัสดุชิ้นงาน ยิ่งอายุการใช้งานของชิ้นงานสูง ความสามารถในการตัดเฉือนของชิ้นงานก็จะยิ่งดีขึ้น
(3) ภายใต้สภาวะการตัดเดียวกัน จะมีการตรวจสอบปริมาตรของโลหะที่ถูกดึงออกเมื่อวัสดุชิ้นงานถึงมาตรฐานความทื่อของเครื่องมือ ยิ่งปริมาตรการตัดโลหะมากเท่าใด ความสามารถในการตัดเฉือนของชิ้นงานก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น
3. แรงตัดหน่วย เมื่อกำลังของเครื่องมือเครื่องจักรไม่เพียงพอ หรือระบบเครื่องมือเครื่องจักร-อุปกรณ์-เครื่องมือ-ชิ้นงานมีความแข็งแกร่งไม่เพียงพอ มักใช้แรงตัดหน่วยเพื่อวัดความสามารถในการตัดของชิ้นงาน
4. ความยากในการควบคุมชิป
การควบคุมการไหลของเศษโลหะที่มีประสิทธิภาพและการหักเศษโลหะที่เชื่อถือได้บ่งชี้ถึงความสามารถในการตัดเฉือนที่ดี เช่น ในการเจาะรูลึก การเจาะรูลึก และการเจาะรูลึกด้วยเครื่องเจาะ ในทางกลับกัน ความสามารถในการตัดเฉือนที่ไม่ดีบ่งชี้ถึงความสามารถในการตัดเฉือนที่ไม่ดี ในการผลิตจริง มักใช้ความสามารถในการตัดเฉือนสัมพัทธ์เพื่อวัดความสามารถในการตัดเฉือนของโลหะที่กำลังขึ้นรูป ค่า V60 ของเหล็ก 45 (ความแข็ง 170-229 HB, ความแข็งแรง θ = 0.637 GPa) ใช้เป็นเกณฑ์มาตรฐาน แสดงเป็น (V60) อัตราส่วน k ของค่า V60 ของโลหะอื่นๆ ที่กำลังขึ้นรูป ต่อ (V60) เรียกว่าความสามารถในการตัดเฉือนสัมพัทธ์: ky = V60/(V60)j
ความสามารถในการตัดเฉือนสัมพันธ์ของวัสดุโลหะที่ใช้กันทั่วไปสามารถแบ่งออกได้เป็น 8 ระดับ ดังแสดงในตาราง 3.1

3.1.2 ปัจจัยที่มีผลต่อความสามารถในการตัดเฉือนวัสดุโลหะ
ความสามารถในการตัดเฉือนวัสดุโลหะเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางกายภาพและทางกล องค์ประกอบทางเคมี สถานะการอบชุบด้วยความร้อน โครงสร้างทางโลหะวิทยา ความต้องการในการตัดเฉือน และสภาวะการประมวลผล
1. ความแข็ง
1) อิทธิพลของความแข็งของวัสดุชิ้นงานที่อุณหภูมิห้อง
โดยทั่วไปแล้ว วัสดุประเภทเดียวกันที่มีความแข็งสูงกว่าจะมีความสามารถในการตัดเฉือนต่ำกว่า เมื่อความแข็งของวัสดุสูง ความยาวของหน้าสัมผัสระหว่างเศษโลหะและหน้าตัดจะลดลง ส่งผลให้แรงเค้นปกติบนหน้าตัดเพิ่มขึ้น และความร้อนจากแรงเสียดทานจะรวมตัวอยู่ที่พื้นผิวสัมผัสของเครื่องมือกับเศษโลหะที่เล็กกว่า นำไปสู่อุณหภูมิการตัดที่สูงขึ้นและการสึกหรอที่เพิ่มขึ้น ความแข็งของชิ้นงานที่สูงเกินไปอาจทำให้เกิดการไหม้และการบิ่นของปลายเครื่องมือ รูปที่ 3.1 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความแข็งและความสามารถในการตัดเฉือนของเหล็กกล้าคาร์บอน

2) ผลของความแข็งของวัสดุชิ้นงานที่อุณหภูมิสูงต่อความสามารถในการตัดเฉือน
ยิ่งวัสดุชิ้นงานมีความแข็งที่อุณหภูมิสูงมากเท่าใด ความสามารถในการตัดเฉือนก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น เมื่ออุณหภูมิในการตัดสูงขึ้น ความแข็งของวัสดุเครื่องมือจะลดลง และอัตราส่วนความแข็งของเครื่องมือต่อความแข็งของชิ้นงานก็จะลดลงเช่นกัน ส่งผลให้การสึกหรอของเครื่องมือเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น โลหะผสมนิกเกิลที่อุณหภูมิสูงและเหล็กกล้าทนความร้อน ซึ่งมีความแข็งที่อุณหภูมิสูงค่อนข้างสูง จะมีความสามารถในการตัดเฉือนต่ำมาก
3) ผลกระทบของจุดแข็งในวัสดุชิ้นงานต่อความสามารถในการตัดเฉือน
ยิ่งจุดแข็งในวัสดุชิ้นงานคมและกระจายตัวมากเท่าไหร่ ความสามารถในการตัดเฉือนก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น อนุภาคแข็งส่งผลต่อการสึกหรอของเครื่องมือในสองลักษณะ ประการแรก ความแข็งสูงของอนุภาคเหล่านี้อาจทำให้เกิดการเสียดสีกับเครื่องมือ ประการที่สอง อนุภาคแข็งขนาดเล็กมากที่ขอบเกรนของชิ้นงานจะเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งของวัสดุ เพิ่มความต้านทานต่อการเสียรูปจากแรงเฉือนระหว่างการตัด และลดความสามารถในการตัดเฉือนของวัสดุ
4) ผลกระทบของคุณสมบัติการทำให้แข็งของวัสดุต่อความสามารถในการตัดเฉือน
ยิ่งวัสดุชิ้นงานมีคุณสมบัติการชุบแข็งจากการทำงานสูงเท่าใด ความสามารถในการตัดเฉือนก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น ยกตัวอย่างเช่น สเตนเลสออสเทนนิติกมีความแข็งผิวหลังการตัดอย่างมีนัยสำคัญ โดยมีความแข็งระดับจุลภาคของพื้นผิวสูงกว่าความแข็งของวัสดุตั้งต้น 1.4 ถึง 2.2 เท่า คุณสมบัติการชุบแข็งจากการทำงานที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่มแรงตัดและอุณหภูมิ นำไปสู่การเสียดสีบนเครื่องมือที่เกิดจากเศษโลหะชุบแข็ง ทำให้เกิดการสึกหรอตามขอบ (boundary wear) บนผิวรอง และการสึกหรอของเครื่องมือที่เพิ่มขึ้น
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 ความสามารถในการตัดเฉือนของเหล็กกล้าผสม 20CrMo ที่อุณหภูมิสูงจึงด้อยกว่าเหล็กกล้า 45
3. ความยืดหยุ่นและความเหนียว
สำหรับวัสดุที่มีค่าความเป็นพลาสติกสูง การเสียรูปพลาสติกจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการขยายตัวของโซนการเสียรูปพลาสติก สำหรับวัสดุที่มีความเหนียวสูง โซนพลาสติกอาจไม่ขยายตัวในระหว่างการเสียรูปพลาสติก แต่การเสียรูปพลาสติกที่ดูดซับไว้จะเพิ่มขึ้น แม้ว่าสาเหตุจะแตกต่างกัน แต่ความเหนียวและความเหนียวที่เพิ่มขึ้นต่างก็นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของงานเสียรูปพลาสติก สำหรับวัสดุชิ้นงานที่มีความแข็งแรงเท่ากัน ความเหนียวที่มากขึ้นจะส่งผลให้เกิดการเสียรูปพลาสติกที่มากขึ้นและปริมาณการใช้งานเสียรูปพลาสติกที่มากขึ้น ดังนั้น เมื่อตัดวัสดุชิ้นงานดังกล่าว แรงตัดและอุณหภูมิจะสูงขึ้น และมีแนวโน้มที่จะเกิดการยึดเกาะกับเครื่องมือมากขึ้น ทำให้เครื่องมือสึกหรอและมีความหยาบผิวจากการกลึงมากขึ้น ดังนั้น ยิ่งวัสดุชิ้นงานมีความเหนียวมากเท่าใด ความสามารถในการกลึงก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น ความเหนียวของวัสดุชิ้นงานน้อยเกินไป ทำให้ระยะสัมผัสระหว่างเครื่องมือและเศษตัดสั้นลง แรงตัดและความร้อนจากการตัดจะกระจุกตัวอยู่ใกล้กับขอบเครื่องมือ ซึ่งจะเพิ่มการสึกหรอของเครื่องมือด้วย ความเหนียว (plasticity) หรือความเปราะ (brittleness) ในวัสดุชิ้นงานที่มากเกินไปหรือไม่เพียงพออาจลดความสามารถในการตัดเฉือน ยิ่งชิ้นงานมีความเหนียวมากเท่าใด ก็ยิ่งใช้พลังงานและแรงตัดมากขึ้นเท่านั้นในระหว่างการตัดเฉือน นอกจากนี้ ความเหนียวยังส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการแตกหัก ดังนั้นยิ่งชิ้นงานมีความเหนียวมากเท่าใด ความสามารถในการตัดเฉือนก็จะยิ่งแย่ลงเท่านั้น
4. การนำความร้อนของวัสดุชิ้นงาน
ยิ่งชิ้นงานมีค่าการนำความร้อนสูงเท่าใด ความร้อนจะถูกนำพาโดยเศษโลหะและนำผ่านชิ้นงานมากขึ้นเท่านั้น ส่งผลให้อุณหภูมิบริเวณตัดต่ำลงและเพิ่มประสิทธิภาพในการตัดเฉือน ยกตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าไร้สนิมและโลหะผสมนิกเกิลที่ทนความร้อนสูงมีค่าการนำความร้อนต่ำมาก เพียง 1/3 ถึง 1/4 ของเหล็ก 45 ส่งผลให้การตัดเฉือนมีข้อบกพร่อง อย่างไรก็ตาม ชิ้นงานที่มีค่าการนำความร้อนสูงจะต้องเผชิญกับอุณหภูมิสูงขึ้นในระหว่างการตัดเฉือน ทำให้ยากต่อการควบคุมขนาดชิ้นงาน
5. องค์ประกอบทางเคมี
โดยทั่วไปแล้ว ความแข็งแรงและความแข็งของเหล็กกล้าจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณคาร์บอนที่เพิ่มขึ้น ในขณะที่พลาสติกและความเหนียวจะลดลง เหล็กกล้าคาร์บอนสูงมีความแข็งแรงและความแข็งสูงกว่า ส่งผลให้มีแรงตัดมากขึ้นและการสึกหรอของเครื่องมือเพิ่มขึ้น ในขณะที่เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำมีความพลาสติกและความเหนียวสูงกว่า ส่งผลให้การเสียรูประหว่างการตัดมากขึ้น เหล็กกล้าคาร์บอนแตกหักยากและให้พื้นผิวที่หยาบจากการกลึง เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางอยู่ในระดับกลางๆ และมีความสามารถในการกลึงที่ดีกว่า เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความสามารถในการกลึงของเหล็กกล้า สามารถเติมธาตุผสม 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 ซึ่งทำให้การสึกหรอของเครื่องมือเพิ่มขึ้น ระดับธาตุเหล่านี้ที่ต่ำ (โดยทั่วไปจำกัดอยู่ที่ 0.3%) มีผลเพียงเล็กน้อยต่อความสามารถในการตัดเฉือนของเหล็ก อย่างไรก็ตาม หากเกิน 0.3% จะส่งผลเสียต่อความสามารถในการตัดเฉือนของเหล็ก

การเติมกำมะถัน (S), ซีลีเนียม (Se), ตะกั่ว (Pb), บิสมัท (Bi) และแคลเซียม (Ca) ในปริมาณเล็กน้อยลงในเหล็กกล้าอาจทำให้เกิดการเจือปน เปราะ หรือเป็นสารหล่อลื่น ช่วยลดการสึกหรอของเครื่องมือและเพิ่มความสามารถในการกลึงของชิ้นงาน แม้ว่าการเติมฟอสฟอรัส (P) จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งของเหล็กกล้า แต่ความเหนียวและความเป็นพลาสติกของเหล็กกล้าจะลดลงอย่างมาก ทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกของเศษโลหะมากขึ้น รูปที่ 3.2 แสดงผลกระทบของธาตุต่างๆ ต่อความสามารถในการกลึงของเหล็กกล้าโครงสร้าง

6. โครงสร้างทางโลหะวิทยา
โครงสร้างทางโลหะวิทยาที่แตกต่างกันส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการตัดเฉือน โดยทั่วไป อัตราส่วนของเฟอร์ไรต์ต่อเพิร์ลไลต์ในเหล็กมีผลต่อความสามารถในการตัดเฉือน เฟอร์ไรต์มีความเป็นพลาสติกสูง เพิร์ลไลต์มีความแข็งสูง และมาร์เทนไซต์มีความแข็งมากกว่าเพิร์ลไลต์ ดังนั้น ปริมาณเพิร์ลไลต์ที่ต่ำจะช่วยเพิ่มความเร็วในการตัดเฉือนที่ยอมรับได้ เพิ่มความทนทานของเครื่องมือ และปรับปรุงความสามารถในการตัดเฉือน ในทางกลับกัน ปริมาณมาร์เทนไซต์ที่สูงกว่าจะส่งผลให้ความสามารถในการตัดเฉือนต่ำลง