高效加工絕非像烘焙蛋糕一樣簡單。一個關(guān)鍵原因是金屬加工與烘焙有著很大的不同。烘焙蛋糕時，通用面粉可以在各種配方中有效使用。與此相反，制造商十分清楚所加工的產(chǎn)品并沒有通用的工件材料。不同的產(chǎn)品應(yīng)用要求工件材料具有千差萬別的性能屬性。比如汽車車軸需要使用低合金鋼的韌性。渦輪發(fā)動機部件需要使用鎳基合金的耐熱性。
正如其特定性能屬性一樣，所有工件材料的五種基本物理屬性也表現(xiàn)各異。這些屬性是磨蝕性、硬度、導熱性、粘著性/延展性趨向和應(yīng)變硬化。各個屬性在一種工件材料中的所占比例很大程度上決定了其可加工性。相對較軟的低合金鋼表現(xiàn)出很強的粘著趨向，會導致刀具出現(xiàn)積屑瘤和擴散磨損;而韌性鎳基合金的導熱性不良，會導致切削溫度極高，造成刀具變形和失效。
材料屬性對加工結(jié)果的影響
理論上，如果知道工件的各合金元素的特定混合比，則可以選擇適當?shù)牡毒吆颓邢鞴r以產(chǎn)生可預(yù)測的磨損形式和良好的生產(chǎn)率。但實際情況常常事與愿違。對于某些工件材料，所用刀具和加工參數(shù)常常難以獲得完全令人滿意的結(jié)果。
原因在于工件材料的成分不同。在任何的產(chǎn)品制造中，工件材料的組成元素并非完全一致，都存在一定的差異。
為了確認這一現(xiàn)象，山高檢測了一系列原材料，這些原材料名義上都是相同的工件材料，并在加工前測定了其五種屬性。其中有些屬性完全相同，有些則差別顯著。
當工件的基本屬性不同時，刀具的切削性能也會不同，生產(chǎn)率可能會降低。為了建立一種方法來識別這種變化并為改善刀具性能提供方法指導，山高在本世紀前幾年就與鋼鐵供應(yīng)商和其他金屬加工公司展開了合作，目的是創(chuàng)建一個能夠測定工件屬性并利用測定數(shù)據(jù)預(yù)測工件可加工性的系統(tǒng)，而且無需考慮車削、銑削和鉆削等具體應(yīng)用。
可加工性分析系統(tǒng)
我們創(chuàng)建的可加工性分析系統(tǒng)以定量測定材料的上述五種屬性為基礎(chǔ)。硬度和導熱性通過標準方法測定。含碳量或硬度分布分析可提供磨蝕性數(shù)據(jù)。在斷屑點測量切屑伸長率能夠定量測定粘著趨向，根據(jù)材料的拉伸和屈服強度與參考材料的屈服強度之間的關(guān)聯(lián)公式可衡量應(yīng)變硬化。
材料屬性數(shù)據(jù)點在五點網(wǎng)格或五角星中繪制出來。低值靠近五角星中心，高值偏向其邊緣。數(shù)據(jù)點包圍的區(qū)域以圖形方式顯示了材料的總趨向。將材料屬性的五個數(shù)據(jù)點結(jié)果連起來，便會在五角星網(wǎng)格邊緣內(nèi)得到一個五邊形。
除了圖形顯示特定工件材料的綜合屬性之外，該系統(tǒng)還能根據(jù)五種基本屬性中的每一種屬性推薦適用的切削材料、槽型及切削工況。該系統(tǒng)還說明了典型的刀具磨損形式。
比如材料有粘著趨向時，需要使用韌性刀具基體以及韌性鍍層、鋒利的切削刃(小圓角半徑)和大前角，切削工況也偏向于溫度控制(通常切削速度足夠高以帶走延性切屑中的熱量)。刀具磨損形式包括微崩、積屑瘤、剝落及溝槽磨損。
另一方面，用于切削堅硬材料的刀具應(yīng)該采用堅硬或韌性基體(取決于進給率)、小前角切削刃以及低進給率和小切深。典型的刀具磨損包括塑性變形、崩刃和斷裂。
高溫合金等材料的導熱性差，要求刀具具有高抗壓強度、大前角和強壯的切削刃。通常采用低切削速度和進給率，刀具失效形式可能表現(xiàn)為塑性變形或高磨損速率。
最后，用于加工磨蝕性工件的刀具毫無疑問應(yīng)該設(shè)計有耐磨蝕基體和強壯切削刃。適合采用低進給率、低切削速度和大切深。磨損形式包括后刀面磨損、月牙洼磨損和溝槽磨損。
對于特定的工件材料，該分析系統(tǒng)顯示了材料的綜合屬性，重點體現(xiàn)了屬性的相互影響。
工藝調(diào)整
當初始加工結(jié)果未達到預(yù)期時，可以使用這種綜合方法，它能調(diào)整刀具和切削參數(shù)，從而獲得所需結(jié)果。例如，如果預(yù)計材料具有高粘著趨向，則會產(chǎn)生長切屑。但是，如果切屑比預(yù)期的偏長或偏短，表示粘著趨向大于或弱于最初的判斷。查看五角星分析圖，或者只需要知道其他屬性的性能影響指標，便能幫助機床技工調(diào)整刀具特性和切削參數(shù)，以適應(yīng)工件的實際屬性。這就如同調(diào)整蛋糕配方中的成分以解決第一次烘焙操作不如意的情況。
根據(jù)材料的成分和結(jié)構(gòu)對工件材料進行分類(比如美國 ANSI 和歐洲 ISO 標準)是有幫助的。但這只是開發(fā)加工工藝的起點，因為即使是同一類材料或單獨的工件，其屬性也可能有所不同。例如，不銹鋼定義為含鉻量不低于 12% 的合金鋼。但是有些不銹鋼含鉻量更高，而且生產(chǎn)的不穩(wěn)定性會進一步改變合金成分。即使全是不銹鋼，加工不同的成分時切削行為也會不同，因為成分和結(jié)構(gòu)不同。
五角星系統(tǒng)不是簡單地對工件材料進行分類，而是提供實用的幫助或指導，它能使機床技工了解刀具的預(yù)期性能和實際性能。該系統(tǒng)并不是說明工件材料的好與壞，而是以圖示方式說明了不同的屬性組合如何改變工件與切削刃之間的相互作用。關(guān)鍵是找到最適合工件材料屬性的刀具屬性組合。
結(jié)論
加工的目標是生產(chǎn)合格零件并實現(xiàn)盈利。工件材料的屬性對加工工藝有著重要影響。因此，最終成本也會直接或間接地受工件材料的影響。更好地了解工件材料的屬性有助于減少加工過程出現(xiàn)問題并提高生產(chǎn)率，從而獲得經(jīng)濟高效的、盈利可觀的制造結(jié)果。
