Пластичность vs ковкость: ключевые различия и их влияние на ЧПУ-обработку

Пластичность и ковкость — это свойства материалов, проявляющиеся при пластической деформации. Во время обработки на станках с ЧПУ эти два параметра напрямую влияют на форму режущей кромки, контроль образования заусенцев, риск возникновения трещин и конечное качество поверхности. Поэтому сегодня мы подготовили эту статью, чтобы объяснить, что такое пластичность и ковкость, их ключевые различия и влияние на механическую обработку с ЧПУ.

Что такое пластичность?

Пластичность — это механическое свойство материала, позволяющее ему подвергаться пластической деформации при растягивающих нагрузках без потери целостности. Это свойство определяет, какое количество энергии материал способен поглотить перед разрушением при растяжении или изгибе.

Как правило, материалы с высокой пластичностью называются пластичными, тогда как материалы с низкой пластичностью — хрупкими.

Как измеряется пластичность

Пластичность можно оценить двумя методами:

Испытание на растяжение

В испытании на растяжение показателями пластичности служат удлинение и уменьшение площади поперечного сечения.

Удлинение

Удлинение позволяет определить, насколько увеличивается длина образца после разрыва.

Метод расчёта следующий:

Удлинение (%)=[(L_f – L₀)/L₀]*100%

Конкретные критерии оценки степени пластичности

Типичный диапазон пластичности для пластичных материалов: (для определения низкой или высокой пластичности)

Эта таблица может служить инженерным справочником для определения того, обладают ли материалы высокой или низкой пластичностью.

Уменьшение площади поперечного сечения

Уменьшение площади — это показатель того, насколько утончается поверхность излома. Расчётная формула выглядит следующим образом:

Уменьшение площади (%)= [(A_f – A₀)/A₀]*100%

Если значение уменьшения площади велико, это означает, что материал перед разрушением подвергся значительной пластической деформации. Ниже приведена таблица с указанием диапазонов для справки:

Почему пластичность важна в производстве

В процессе производства пластичность материалов определяет их устойчивость к образованию трещин на этапе формирования. Материалы с высокой пластичностью позволяют выполнять глубокую вытяжку, гнуть трубы и нарезать резьбу без проведения отжига. В станочной обработке ЧПУ пластичность может влиять на стружкообразование:

Пластичные материалы могут образовывать длинные и непрерывные стружки при точении.

Хрупкие материалы легко образуют порошкообразную или фрагментированную стружку; хотя такие стружки легко удаляются, они склонны к внезапному разрушению под воздействием вибрационных нагрузок.

Что такое ковкость

Ковкость — это способность материала подвергаться пластической деформации без образования трещин при сжимающих нагрузках. Это свойство напрямую связано с обработкой металлов в виде плоских листов, корпусов или сложных трёхмерных форм методами ковки, прокатки и штамповки.

Как оценивается ковкость

Ковкость определяется путём оценки способности материала деформироваться пластически без растрескивания под действием сжимающей силы. Обычно её оценивают при проведении процессов сжатия и формования.

Почему ковкость важна при обработке металлов

Ковкость напрямую определяет возможность изготовления изделий требуемых геометрических форм методом сжатия. Материалы с высокой ковкостью позволяют проводить холодную ковку или холодную прокатку при значительной деформации, что снижает необходимость нагрева и уменьшает производственные затраты. Однако материалы с низкой ковкостью требуют термических процессов формирования, чтобы повысить их пластичность и улучшить поведение при сжимающих деформациях.

Пластичность vs ковкость: в чём разница?

Основное различие между пластичностью и ковкостью заключается в типах напряжений и деформаций. Пластичность — это способность материала деформироваться пластически под действием растягивающих напряжений, тогда как ковкость — это способность деформироваться пластически под действием сжимающих напряжений без образования трещин.

Пластичность vs ковкость: разные производственные процессы

Пластичность и ковкость могут существенно влиять на выбор методов обработки материалов. Поэтому понимание этих свойств позволяет эффективно определять подходящие производственные процессы.

Различные производственные применения

Материалы с высокой пластичностью подходят для производства кабелей, пружин, крепежных элементов и конструкционных деталей. Напротив, материалы с высокой ковкостью предпочтительны для изготовления головок сосудов под давлением, автомобильных кузовных панелей, монет, а также любых деталей, формируемых методами ковки или штамповки.

В ЧПУ-обработке осевые детали требуют пластичности, чтобы выдерживать касательные напряжения, возникающие под действием крутящего момента, тогда как детали типа «оболочка» нуждаются в ковкости, чтобы облегчить последующие операции заклепывания или прессовой клепки.

Металлы с высокой пластичностью и ковкостью

Некоторые материалы обладают одновременно высокой ковкостью и значительной пластичностью. Представляем их вам.

Медь

Медь характеризуется одновременно высокой пластичностью и ковкостью,, что делает её одним из наиболее легко формируемых металлов. Удлинение чистой меди в отожженном состоянии может достигать 45%–60%, при этом уменьшение площади поперечного сечения превышает 80%. Её высокая пластичность позволяет вытягивать из неё крайне тонкие металлические провода, поэтому медь широко применяется для производства электрических проводов и кабелей. В то же время, благодаря высокой ковкости медь может быть прокатана в тонкие листы, трубы и другие изделия.

Однако при ЧПУ-обработке из‑за мягкости и высокой пластичности меди легко образуются длинные стружки и заусеницы,

Золото

Золото — один из металлов с самой высокой пластичностью и ковкостью. Удлинение чистого золота составляет около 45%. Из‑за высокой стоимости золото редко используется в обычной ЧПУ-обработке, однако остаётся важным материалом для электроники, авиакосмической отрасли и изделий повышенной прочности.

Алюминий

Удлинение чистого алюминия составляет примерно 25%–45%. Чистый алюминий и отожженный алюминий обладают повышенной пластичностью и хорошей ковкостью. Эти свойства делают алюминий подходящим для прокатки, экструзии, гибки и обработки листового металла.

В процессе ЧПУ-обработки высокая пластичность алюминия может приводить к образованию непрерывной стружки, которая легко прилипает к передней кромке режущего инструмента, формируя так называемую «стружечную опухоль». Это можно контролировать, повышая скорость резания и полируя поверхность режущих инструментов.

Мягкая сталь

Мягкая сталь обладает средней или высокой пластичностью, а также среднюю ковкость. Его пластичность помогает мягкой стали избегать внезапного разрушения при растягивающих нагрузках, а ковкость позволяет формовать её под действием сжимающей силы.

По сравнению с хрупкими материалами мягкая сталь перед разрушением демонстрирует значительную пластическую деформацию, что делает её подходящей для гибки, сварки, прокатки и формирования конструкций.

Мягкая сталь является одним из наиболее предсказуемых материалов для обработки на станках с ЧПУ благодаря её стабильному поведению при образовании стружки.

Материалы с низкой пластичностью или низкой ковкостью

Материалы с низкой пластичностью или низкой ковкостью обычно имеют кубическую решётку с центром в теле или гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру, либо содержат твёрдые и хрупкие частицы вторичной фазы. Эти характеристики ограничивают движение дислокаций и вызывают раннее разрушение.

Чугун

Чугун обычно относится к хрупким материалам, поскольку его относительное удлинение составляет менее 1%., что практически исключает возникновение пластической деформации.

Высокоуглеродистая сталь

Высокоуглеродистая сталь (содержание углерода свыше 0,6%) в необработанном состоянии обычно имеет относительное удлинение ниже 10%, а после закалки может снижаться до уровня ниже 2%.

Керамика

Керамические материалы — типичные хрупкие материалы. Пластическая деформация отсутствует; при достижении предела прочности на разрыв происходит катастрофическое разрушение. Кроме того, ковкость у них отсутствует. При обработке на станках с ЧПУ керамику необходимо формировать методом шлифования или лазерной обработки, но нельзя использовать традиционные режущие технологии.

Почему пластичность и ковкость важны при обработке на станках с ЧПУ

Пластичность и ковкость влияют на форму режущей кромки, образование заусенцев и качество поверхности во время обработки на станках с ЧПУ.

Влияние на образование стружки

Пластичные материалы сохраняют целостность даже после значительной пластической деформации в зоне среза, образуя удлинённые или спиралевидные стружки. Такие стружки часто наматываются на заготовку или инструмент, что может привести к автоматическому срабатыванию замены инструмента или появлению царапин на поверхности.

Однако материалы с низкой пластичностью легко выбрасывают стружку, но при этом характеризуются значительными колебаниями усилия резания, что легко приводит к вибрациям.

Решение:

• Использовать геометрию ломающей стружку
• Применять высокую подачу
• Использовать охлаждающую жидкость под высоким давлением

Влияние на образование заусенцев

Пластичные материалы склонны к образованию крупных задиров, поскольку способны выдерживать значительные пластические деформации при изгибе перед разрушением. Кроме того, ковкость влияет на формирование входных задиров.

Решение:

• Увеличьте отрицательный фаску инструмента
• Используйте стратегию подрезки с подъёмом резца
• Примените предварительные канавки для разрушения заусенцев

Влияние на качество поверхности

Пластичные материалы во время обработки склонны к образованию нароста на режущем инструменте, который может оставлять микропоры и царапины на обработанной поверхности, что приводит к повышению значения шероховатости Ra.

В практическом производстве применяют метод повышения скорости резания для увеличения температуры резания и, соответственно, снижения предела текучести материала. Благодаря такому подходу удается подавить образование нароста на режущем инструменте и улучшить качество обработанной поверхности.

Пластичность и ковкость распространённых металлов

Различия в пластичности и ковкости различных металлических материалов обусловлены особенностями их внутренней атомной структуры и возможностями пластической деформации. Ниже представлено сопоставление этих свойств с точки зрения инженерного применения.

Медь против алюминия

Удлинение чистой меди выше, чем у чистого алюминия. Однако по ковкости алюминий опережает медь. Предел текучести алюминия примерно в три раза ниже, чем у меди.

В станочной обработке с ЧПУ медь характеризуется более сильным сцеплением стружки и склонностью к образованию нароста на режущем инструменте. Алюминий же образует непрерывную стружку, которую при использовании высоконапорной смазочно‑охлаждающей жидкости легче разрушать.

Нержавеющая сталь против углеродистой стали

Нержавеющая сталь, особенно аустенитная, обладает крайне высокой пластичностью, превосходящей показатели углеродистой стали. Вместе с тем ковкость углеродистой стали выше, чем у аустенитной нержавеющей стали.

С точки зрения обработки на станках с ЧПУ, усилие резания нержавеющей стали примерно в полтора раза выше, чем у углеродистой стали, а её стружка менее склонна к разрушению.

Как выбирать материалы исходя из их пластичности и ковкости

На этапе механического проектирования выбор материала должен основываться на технологическом процессе изготовления детали и условиях эксплуатации, обеспечивая баланс между пластичностью и ковкостью, а также принимая комплексное решение с учётом прочности, стоимости и обрабатываемости.

Для деталей, обработанных на станках с ЧПУ

Для деталей, обрабатываемых методом удаления материала на станках с ЧПУ, предпочтительны материалы со средней пластичностью, при этом удлинение должно находиться в диапазоне от 15% до 25%. Такой диапазон способствует естественному разрушению стружки в С‑образные формы или короткие спирали, одновременно предотвращая образование заусенцев на режущей кромке вследствие чрезмерной хрупкости.

На практике идеальными материалами являются алюминий 6061, сталь 1215 и латунь C3600.

Чистую медь или отожжённую аустенитную нержавеющую сталь, у которых удлинение превышает 40%, следует избегать, если только не используется система охлаждения под высоким давлением и специализированное оснащение для разрушения стружки.

Для тонкостенных деталей или заготовок с множеством мелких элементов следует выбирать материалы с более высокой пластичностью. Такие материалы лучше поглощают энергию вибраций и помогают предотвратить прорыв стенки, вызванный колебаниями сил резания.

Для деталей из листового металла

Для деталей, формируемых из листового материала, главным критерием выбора должна быть ковкость, особенно при гибке, чеканке и глубокой вытяжке. Отношение предельного радиуса изгиба материала к толщине листа должно быть меньше установленного производственного требования, поскольку это соотношение напрямую отражает качество ковкости.

Для листов толще 3 мм следует отдавать предпочтение материалам с высокой ковкостью, таким как средне- и низкоуглеродистые стали, обработанные сфероидизирующим отжигом, или алюминиевый сплав 5052.

Пластичность в таких случаях является второстепенным критерием и прежде всего влияет на предел прочности на разрыв краёв фланцев. Когда детали содержат отверстия под растяжение или выпуклые элементы диаметром менее чем в пять раз больше толщины листа, удлинение материала должно превышать 20%, чтобы избежать образования трещин.

Для кованых компонентов

Для ковки деталей требуется, чтобы материалы обладали отличной ковкостью как в горячем, так и в холодном состоянии, позволяя металлу полностью заполнять полость формы без образования складок.

• В процессах горячей ковки легированные стали, такие как 4140 и 4340, демонстрируют превосходную ковкость при температурах от 1000°C до 1200°C, причём их удлинение временно может превышать 50%.
• Для процессов холодной ковки предпочтительными материалами являются чистый алюминий, низкоуглеродистая сталь и латунь, поскольку они способны выдерживать высокие компрессионные деформации при комнатной температуре без растрескивания.

Пластичность в ковке выступает вторичным критерием и прежде всего влияет на операцию удаления заусенцев; материалы с высокой пластичностью с большей вероятностью сохранят качественную поверхность краёв после удаления заусенцев.

Заключение

И пластичность, и ковкость — это способности материалов к пластической деформации, однако они различаются по характеру воздействующих напряжений и методам обработки. Пластичность отражает способность материала деформироваться под действием растягивающих напряжений, тогда как ковкость — его способность формообразовываться под воздействием сжимающих напряжений. Эти различия напрямую влияют на такие процессы, как ЧПУ-обработка, листовая штамповка, прокатка и ковка.

На практике в производстве листовых деталей первоочередное внимание уделяется ковкости, тогда как при ЧПУ-обработке основное внимание сосредоточено на балансе между пластичностью и управлением стружкой. Понимание различий между этими двумя аспектами помогает оптимизировать выбор материалов, технологические процессы обработки и конечные эксплуатационные характеристики деталей.

ЧаВо

Является ли пластичность тем же самым, что и ковкость?

Понятие растяжимости относится к способности материала сопротивляться разрушению при растяжении и измеряется удлинением или уменьшением площади поперечного сечения. Под термином «ковкость» понимается стойкость материала к разрушению при сжатии, оцениваемая степенью деформации при сжатии.

Какие металлы обладают наибольшей пластичностью?

Чистое золото, чистое серебро и чистая медь — три наиболее пластичных металла среди всех металлов. Показатели удлинения составляют примерно 45% для золота, от 50% до 55% для серебра и от 45% до 60% для меди. Отожжённая низкоуглеродистая сталь и аустенитная нержавеющая сталь также относятся к материалам с высокой пластичностью; их удлинение колеблется от 30% до 60%.