Фізика і хімія обробки матеріалів

Під час фрезерування на інструмент і заготовку діють фізичні сили. Зрозуміти ці сили нам допомагають закони руху Ньютона:

• Перший закон (інерція): тіло залишається у спокої або рухається рівномірно, поки на нього не подіє сила. Для фрезерування це означає, що інструмент або заготовка починають рухатися лише під дією сили (двигуна).
• Другий закон (F = m * a): прискорення тіла пропорційне силі, що на нього діє. Отже, більші заготовки потребують більшої сили, щоб фрезерувати їх із певною швидкістю.
• Третій закон (дія і протидія): якщо фрезерний інструмент діє на заготовку з певною силою, то заготовка діє на інструмент із такою самою за величиною, але протилежно спрямованою силою.

Під час фрезерування виникає тертя. Тертя зʼявляється, коли дві поверхні ковзають одна по одній. Під час фрезерування це відбувається між:

• інструментом і заготовкою
• інструментом і стружкою

Через тертя енергія перетворюється на тепло (=> процеси окиснення).

Інструмент (фреза) також змінюється під час обробки. Через тертя різальна кромка поступово зношується. Цей процес називають зношуванням. Щоб уповільнити цей процес, фрези виготовляють з особливо твердих матеріалів, як-от твердий сплав, і часто наносять на них покриття.

Тепло під час фрезерування виникає через тертя між інструментом і заготовкою. Силу тертя, що діє між інструментом і заготовкою, можна описати законом тертя. Вона пропорційна нормальній силі, яка діє перпендикулярно до поверхні контакту. Рівняння для сили тертя має такий вигляд:

Коефіцієнт тертя μ\m залежить від пари матеріалів. Наприклад, коефіцієнт тертя між сталлю та алюмінієм менший, ніж між сталлю та чавуном, а це означає, що коли сталь контактує з алюмінієм, тертя виникає менше.

Швидкість різання - одна з найважливіших кінематичних величин у процесі фрезерування. Вона описує, як швидко рухається різальна кромка інструмента під час різання заготовки. Правильне налаштування швидкості різання є вирішальним для якості обробки, ефективності та терміну служби інструмента.

Значення швидкості різання:

• Залежність від матеріалу: різні матеріали потребують різних швидкостей різання. Твердіші матеріали часто вимагають нижчих швидкостей, тоді як мʼякі матеріали можуть витримувати вищі швидкості.
• Виділення тепла: надто високі швидкості різання можуть призводити до надмірного нагрівання, що може прискорювати окиснення заготовки та зношування інструмента

Швидкість подачі описує, як швидко заготовка подається до інструмента. Це ще один вирішальний параметр, який впливає на ефективність обробки та якість кінцевого виробу.

Значення швидкості подачі:

• Виділення тепла: як і у випадку зі швидкістю різання, надто висока швидкість подачі може призводити до підвищеного зношування інструмента і теплових проблем.
• Стабільність процесу: вибір правильної швидкості подачі важливий, щоб забезпечити стабільне фрезерування без вібрацій, а це подовжує термін служби інструмента.

Під час фрезерування можуть відбуватися хімічні реакції між матеріалом заготовки та навколишнім повітрям (наприклад, киснем) або застосовуваними мастильними матеріалами. Корозія, зокрема окиснення, може виникати, коли метали контактують з повітрям або вологою.

Температури, що виникають під час фрезерування, можуть бути дуже високими, що може призводити до термоокиснення заготовки. Температура під час фрезерування може сягати від 200 °C до понад 1000 °C залежно від матеріалу заготовки (наприклад, сталь, алюміній, титан), типу застосовуваного інструмента, а також швидкості різання, величини подачі та охолодження.

Контакт заготовки з повітрям може призводити до окиснення. За високих температур металеві поверхні реагують з киснем, унаслідок чого утворюються продукти окиснення. Різні метали окиснюються з різною швидкістю. Алюміній, наприклад, швидко утворює захисний оксидний шар, тоді як залізо схильне до реакцій окиснення.

Завдяки відповідним заходам можна мінімізувати негативні наслідки окиснення, що покращує якість оброблених деталей і подовжує термін служби інструментів.

• Застосування мастильно-охолоджувальних рідин: вони можуть знижувати температуру та зменшувати контакт із киснем.
• Оптимізація параметрів обробки: налаштування швидкості різання та величини подачі для зменшення утворюваного тепла.
• Використання стійких до окиснення матеріалів: застосовувати матеріали з вищою стійкістю до окиснення, наприклад нержавіючу сталь або спеціальні сплави.

• Твердість: твердість матеріалу - це міра його опору пластичній деформації. Твердіші матеріали, як-от загартовані сталі або кераміка, потребують спеціальних інструментів і нижчих швидкостей різання, щоб уникнути надмірного зношування.
• Вʼязкість: вʼязкість описує здатність матеріалу пластично деформуватися і поглинати енергію, перш ніж зруйнуватися. Матеріали з високою вʼязкістю, наприклад багато сталевих сплавів, часто стійкіші до утворення тріщин під час фрезерування.
• Пластичність: пластичність - це здатність матеріалу деформуватися під дією розтягувального навантаження, не руйнуючись. Пластичніші матеріали, як-от алюміній, краще піддаються фрезеруванню, оскільки менше схильні до тріщин

Під час фрезерування часто застосовують рідини - так звані мастильно-охолоджувальні рідини. Вони виконують кілька завдань.

Фізично:

• відводити тепло
• зменшувати тертя

Хімічно:

• захищати поверхню
• запобігати корозії
• зменшувати реакції з киснем повітря