工件材料的切削加工性.docx

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1、工件材料的切削加工性第一节 工件材料的切削加工性 材料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。 1. 衡量切削加工性的指标 切削加工性的指标可以用刀具使用寿命、一定寿命的切削速度、切削力、切削温度、已加工表面质量以及断屑的难易程度等衡量。 某种材料切削加工性的好坏，是相对另一种材料而言的。因此，切削加工性是具有相对性的。一般以切削正火状态45钢的v60作为基准，其它材料与其比较，用相对加工性指标Kr表示： 式中,v60 某种材料其刀具使用寿命为60min时的切削速度； (v60) j切削45钢，刀具使用寿命为60min时的切削速度。 二。影响材料切削加工性的主要因素 影响材料切削加工

2、性的主要因素有材料的物理力学性能、化学成分和金相组织等。 三。难加工材料的切削加工性 、高锰钢的切削加工性 高锰钢加工硬化严重，塑性变形会使奥氏体组织变为细晶粒的马氏体组织，硬度急剧增加，造成切削困难。高锰钢热导率低，仅为45钢的1/4，切削温度高，刀具易磨损，高锰钢韧度大，约为45钢的8倍，其伸长率也大，变性严重，导致切削力增加，并且不易断屑。 不锈钢的切削加工性 奥氏体不锈钢中的铬、镍含量较大，铬能提高不锈钢的强度及韧性，但使加工硬化严重，易粘刀。不锈钢切屑与前刀面结出长度较短，刀尖附近应力较大，经计算刀尖所收的应力为切削碳钢的1.3倍，造成刀尖易产生塑性变形或崩刀。奥氏体不锈钢导热性差，

3、切削温度高。另外，锯齿形切屑并不因速度增高而有所改变，所以切削波动大，易产生振动，使刀具破损。断屑问题也是不锈钢车削中的突出问题。 车削不锈钢时，多采用韧性好的YG类硬质合金刀片，选择较大的前角和小的主偏角；较低的切削速度，较大的进给量和背吃刀量。 四、改善材料切削加工性的基本方法 1在材料中适当添加化学元素? 在钢材中添加适量的硫、铅等元素，能够破坏铁素体的连续性，降低材料的塑性，使切削轻快，切屑容易折断，大大地改善材料的切削加工性。在铸铁中加入合金元素铝、铜等能分解出石墨元素，利于切削。 2采用适当的热处理方法? 例如，正火处理可以提高低碳钢的硬度，降低其塑性，以减少切削时的塑性变形，改善

4、加工表面质量；球化退火可使高碳钢中的片状或网状渗碳体转化为球状，降低钢的硬度；对于铸铁可采用退火来消除白口组织和硬皮，降低表层硬度，改善其切削加工性。 3采用新的切削加工技术? 采用加热切削、低温切削、振动切削等新的加工方法，可以有效地解决一些难加工材料的切削问题。 第二节 刀具材料 一.刀具材料应具备的性能 1高的硬度 刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，常温硬度须在60HRC以上。 2高的耐磨性 刀具材料应有好的抵抗磨损的能力。取决于材料的力学性能、化学成分和组织结构。 3足够的强度和韧性 以抵抗冲击及振动。强度用抗弯强度表示，韧性用冲击韧度表示。 4.高的耐热性 在高温下保持较高的硬度

5、、耐磨性、强度和韧性的能力。用温度或高温硬度表示。 5.良好的导热性和工艺性 导热系数越大，有利提高刀具使用寿命；线膨胀系数小，则可减小热变形；为了便于制造须有较好的可加工性，即切削加工性、可磨削性、热处理等。 二.高速钢 普通高速钢 普通高速钢的工艺型好，切削性能可满足一般工程材料的常规加工，常用品种有：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W14CrVMnRE和W9Mo3Cr4V。W18Cr4V属钨系高速钢，其高温硬度约与钨钼系高速钢相当，但在高温下韧性不及钨钼系。钨钼系高速钢W6Mo5Cr4V2中所含Mo元素可使碳化物均匀，但含V较多，磨削性能差，目前我国主要用于热轧刀具。 高性能高速钢

6、 1钴高速钢 典型钢种是W2Mo9Cr4VCo8(M42)，它的特点是综合性能好，硬度高，高温硬度在同类钢中居于前列，可磨削性好，适合于切削高温合金，但价格很贵。 2铝高速钢 铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al，是我国独创的新型高速钢，具有良好的综合性能， 其高温硬度、抗弯强度、冲击韧度均与W2Mo9Cr4VCo8相当，价格低廉。但其可磨削性差、热处理工艺要求较严格。 3高钒高速钢 其牌号有W6Mo5Cr4V3，由于炭化钒量的增加，从而提高了钢的耐磨性，一般用于切削高强度钢。但其刃磨性能比普通高速钢差。 选用高速钢时的一般原则如下。 (1) 切削一般材料时可用普通高速钢，其中以W18Cr4V用得

7、最多。W6Mo5Cr4V2主要用于热轧刀具，W14Cr4VMnRE其韧性最高，可作热轧刀具。 (2) 如工艺系统刚性好，切削难加工材料时，简单刀具可用高钒、高钴高速钢。复杂刀具可用钨钼系低钴高速钢。 涂层高速钢 高速钢刀具的表面涂层是采用PVD技术，在真空、工艺处理温度500的环境条件下，在刀具表面涂覆TiN、TiC、TiCN等硬膜，以提高刀具性能的新工艺。目前，已在形状复杂的钻头、丝锥、成形铣刀及齿轮刀具上广泛应用。 三.硬质合金 硬质合金是由金属碳化物粉末和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。硬质合金是当今最主要的刀具材料之一。绝大部分车刀、端铣刀和部分立铣刀、深孔钻、铰刀等均已采用硬质合金制造

8、。由于硬质合制 制造工艺性差，它用于复杂刀具尚受到很大限制。 硬质合金的硬度在8994HRA，相当于7176HRC，耐磨性好，耐热性可达8001000。因此，硬质合金比 高速钢的切削速度高410倍。刀具使用寿命可提高几十倍，但其抗弯强度低、韧性差、怕冲击和振动。 常用的硬质合金可分为四类： 1钨钴类YG 常用牌号有YG3、YG6、YG8等，YG类硬质合金与钢的粘结温度较低，其抗弯强度与韧性比YT类高，主要用于切削铸铁和有色金属及其合金，以及非金属材料和含Ti元素的不锈钢等工件材料。牌号中的数字为钴的百分含量，合金中钴的含量越高，韧性越好，适于粗加工，钴含量少的适用于精加工。 2钨钛钴类YT 其

9、硬质相除WC外还有TiC，粘结相为Co。常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30。YT类硬质合金有较高的耐热性、较好的抗粘结、抗氧化能力。主要用于切削各种钢件，但不适宜切削含Ti元素的不锈钢。因为两者的Ti元素之间的亲和作用，从而加剧刀具磨损。牌号中的数字为TiC的百分含量，合金中含TiC量较多者，含Co量就少，耐磨性、耐热性就更好，适合精加工。但TiC量多，则导热性变差，焊接与刃磨时易产生裂纹。含TiC量较少者，适合粗加工。 3钨钽钴类YA 这类硬质合金具有较高的硬度和耐磨性，同时能细化晶粒，可提高高温硬度、高温强度和抗氧化能力。适于切削冷硬铸铁、有色金属及其合金。 4钨钛钽钴类YW

10、这类硬质合金是在YT类中添加TaC(NbC)而成，加入适量TaC(NbC)后，可提高抗弯强度和韧性，同时也提高了耐热性和高温硬度。由于它能用来切削钢或铸铁故又称通用合金。 硬质合金牌号的选择，主要根据工件材料和切削加工的类型。硬质合金含钴量越多，其强度也越高，但高温硬度、耐磨性和抗热变形的能力却越低。若碳化钛含量越高，则耐磨性、高温硬度和抗热变形的能力越高，但强度却越低，碳化钽的含量越高，硬质合金的高温硬度抗热变形能力以及抗月牙洼磨损的能力越高。 四.其他刀具材料 陶瓷 陶瓷有很高的硬度和耐磨性，耐热性可达1200以上，常温硬度达9195HRA，化学稳定性好，但最大弱点是抗弯强度低，韧性差。目

11、前主要有复合氧化铝陶瓷和复合氮化硅陶瓷二种。是一种极其有发展前途的刀具材料。 金刚石 金刚石分天然和人造两种，金刚石刀具既能胜任陶瓷、硬质合金等高硬度非金属材料的切削加工，又可切削其它有色金属及其合金，使用寿命极高。但不适合切削铁族材料，因金刚石与铁元素有很强的亲和力。它的热稳定性差，当切削温度达到800时即碳化而失去其硬度。 立方氮化硼 立方氮化硼是继人造金刚石之后出现的又一种超硬材料。它的特点是：硬度仅次于人造金刚石，耐磨性好、热稳定性高，可耐13001500的高温。此外，具有良好的导热性和较低的摩擦系数。立方氮化硼刀具能以加工普通钢和铸铁的切削速度切削淬硬钢、冷硬铁、高温合金等，从而大大

12、提高生产率。当精车淬硬零件时，其加工精度与表面质量足以代替磨削。 第三节 切削液 切削液的作用 冷却作用 切削液能够降低切削温度，从而可以提高刀具使用寿命和加工质量。切削液冷却性能的好坏，取决于它的导热系数、比热容、气化热、流量与流速等。一般水溶液的冷却作用较好，油类最差。 润滑作用 金属切削时切屑、工件和刀具间的摩擦可分干摩擦、流体润滑摩擦和边界润滑摩擦三类。当形成流体润滑摩擦时，才能有较好的润滑效果。金属切削过程大部分属于边界润滑摩擦。所谓边界润滑摩擦，是指流体油膜由于受较高载荷而遭受部分破坏，是金属表面局部接触的摩擦方式。切削液的润滑性能与切削液的渗透性，形成润滑膜的能力及润滑膜的强度有

13、着密切关系。若加入油性添加剂，如动物油、植物油可加快切削液渗透到金属切削区的速度，从而可减少摩擦。若在切削液中添加一些极压添加剂，如含有S、P、Cl 等的有机化合物，这些化合物高温时与金属表面起化学反应，生成化学吸附膜，可防止在极压润滑状态下刀具、工件、切屑之间的接触面的直接接触，从而减小摩擦，达到润滑的目的。 清洗预防锈作用 切削液可以消除切屑，防止划伤已加工表面和机床导轨面。清洗性能取决于切削液的流动性和压力。在切削液中加入防锈添加剂后，能在金属表面形成保护膜，起到防锈作用。 二、切削液的种类及选用 切削液的种类和选用见表3-3所示 表 3-3 切削液种类和选用 序号 1 名称 组 成 主

14、要用途 水溶液 以硝酸钠、碳酸钠等溶于水的溶液，用 100 200倍的水稀释而成 磨削 少量矿物油，主要为表面活性剂的乳化油，用40 80倍的水稀释而成，冷却和清洗性能好 车削、钻孔 2 乳化液 以矿物油为主，少量表面活性剂的乳化油，车削、攻螺纹 用10 20倍的水稀释而成，冷却和清洗性能好 高速车削、钻在乳化液中加入极压添加剂 削 矿物油单独使用 滚齿、插齿 3 切削油 矿物油加植物油或动物油形成混合油，润滑精密螺纹车削 性能好 矿物油或混合油中加入极压添加剂形成极压高速滚齿、插油 齿、车螺纹 4 其它 液态的 CO 2 主要用于冷却 二硫化钼 +硬脂酸+石蜡做成蜡笔，涂于刀具表面 攻螺纹

15、切削液应根据工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求进行选用。对硬质合金刀具一般不用切削液，若要使用，必须连续、充分地供应，否则因聚冷聚热，导致刀片产生裂纹。切削铸铁一般也不用切削液。切削铜、铝合金和有色金属时，一般不用含硫的切削液，以免腐蚀工件表面。 第四节 刀具合理几何参数的选择 1. 前角的功用及选择 2. 前角的功用 增大前角能减小切屑变形和摩擦，降低切削力、切削温度，减小刀具磨损、抑制积屑瘤和鳞刺的生成，改善加工表面质量。但是前角也不能选得过大，前角过大会削弱刀刃强度和散热能力，反而使刀具磨损加剧，刀具使用寿命下降。应有一个合理参考数值。 前角的选择原则 工件材料的强度、硬度低、塑性大

16、，前角数值应取大些，可减小切屑变形，降低切削温度。加工脆性材料时，应选取较小的前角，因变形小，刀-屑接触面小。 刀具材料的强度和韧性越好，应选用较大的前角。如高速钢刀具可采用较大前角。 粗切时为增强刀刃强度取小值。工艺系统刚性差时，应取大值。 二、后角的功用及选择 后角功用 增大后角能减少后刀面与过渡表面间的摩擦，还可以减小切削刃圆弧半径，使刃口锋利。 但后角过大会减小刀刃强度和散热能力。 后角的选择原则 后角主要根据切削层公称厚度hD选取。粗切时，进给量大，切削层公称厚度大，可取小值；精切时，进给量小，切削层公称厚度小，应取大值，可延长刀具使用寿命和提高已加工表面质量。当工艺系统刚性较差或使

17、用有尺寸精度要求的刀具时，取较小的后角。工件材料的强度、硬度越大，后角应取小值。后角的参考值见表3-4。 斜角切削与刃倾角的选择 .斜角切削 当刀具的刃倾角s=0时，主切削刃与切削速度方向垂直，称直角切削。若刀具的刃倾角s0，其主切削刃与切削速度方向不垂直，称斜角切削。斜角切削是应用比较普遍的一种切削方式。 2.斜角切削速度分解如图3-2所示，切削刃上某点的切削速度vc，可分解为垂直于切削刃的分速度vn和平行于切削刃的分速度vT，即： ，? 由于有vT，使切屑流出方向发生变化。切屑流出方向在前刀面上与刀刃的法剖面之间的夹角，称流屑角，如图3-2b。实验证明，流屑角近似等于刃倾角，即s。 1.

18、2. 3. 4. 5. 刃倾角的功用 影响切屑流出方向? 如图3-3所示。 影响切削刃的锋利性? 因实际前角较大，可进行薄切削。 影响刀刃强度? 如图3-4所示，负刃倾角可使刀尖避免冲击。 影响背向力Fp与进给力Ff的比值? s为负值时，Fp力增大，Ff力减小，易振动。 刃倾角的选择原则 选择刃倾角时主要根据切削条件和系统刚性而定。精切s=0+5；粗切s=0-5。工艺系统刚性不足时，取正值刃倾角。 四、主偏角和副偏角的功用及选择 主偏角和副偏角的功用 主偏角主要影响切削层截面的形状和几何参数，影响背向力Fp与进给力Ff的比例以及刀具的使用寿命，并和副偏角一起影响已加工表面粗糙度。如图3-5所示

19、，在相同切削用量的条件下，主偏角越小，则背向力Fp越大，切削刃的工作长度越长。 副偏角的主要作用是减少副切削刃与工件已加工表面的摩擦，减少切削振动。副偏角的大小影响工件表面残留面积的大小，进而影响已加工表面的粗糙度值。如图3-6所示，副偏角越小，则工件表面的残留面积越小，表面粗糙度Ra值越小。 主偏角和副偏角的选择原则 加工工艺系统的刚性不足的情况下，为了减少背向力Fp，应选用较大的主偏角。如车削细长轴时，一般取Kr=9093，以降低背向力Fp，减少振动。 粗加工时，一般选用较大的主偏角(Kr=6075)，以利于减少振动，延长刀具的使用寿命。 加工强度、硬度高的材料，如冷硬铸铁和淬硬钢时，如系

20、统刚性较好，则选用较小的主偏角，以增加刀刃的工作长度，减轻单位长度切削刃上的负荷，改善刀头散热条件，延长刀具的使用寿命(Kr=1030)。在不影响摩擦和不产生振动的条件下，选取较小的副偏角。外圆车刀的副偏角一般为515。 第五节 切削用量的选择 一.选择切削用量的原则 正确选用切削用量，对提高生产率，保证必要的经济性和切削加工质量均具有重要意义。 切削用量与刀具使用寿命的关系为： 根据实验结果， 1/m1/n1/p 。这说明在 vc 、f 、ap三者之中，切削速度对刀具使用寿命得影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小。 另外 ，生产率可用单位时间内的金属切除量Qz表示。 由此可见，除提高切削速

21、度外，也可以增大进给量 f 及加大 背吃刀量 a p 来达到提高生产率的目的。当然同时还应保证刀具的使用寿命 T c (或 Tp )。 根据以上分析可知，选择切削用量的原则应当是：在机床、工件、刀具强度和工艺系统刚性允许的条件下，首先选择尽可能大的 背吃刀量ap，其次根据加工条件和要求选用所允许的最大进给量f，最后再根据刀具的使用寿命要求选择或计算合理的切削速度。 二、切削用量的选择方法 1 背吃刀量的选择 背吃刀量根据加工余量来确定。切削加工一般分为粗加工、半精加工和精加工。粗加工时应尽量用一次走刀切除全部余量，若机床功率为中等时， ap =810mm 。半精加工时，ap =0.52mm 。

22、精加工时， ap =0.10.4mm 。当加工余量太大，或工艺系统刚性不足，或断续切削时，粗加工也不能一次选用过达的 背吃刀量，应分几次走刀，不过第一次走刀的背吃刀量应取大些。 2 进给量的选择 粗加工时，应在机床进给机构的强度、车刀刀杆强度和刚度、刀片强度以及装夹刚度等允许的条件下，尽可能选取大的进给量，因为这时对工件粗糙度要求不高。精加工时最大进给量主要受表面粗糙度的限制，实际生产中，主要用查表法或根据经验确定。 3. 切削速度的确定 根据选定的背吃刀量ap 、进给量f 和刀具使用寿命T ，按式2-42计算切削速度vc ，再算出机床主轴转速。实际生产中，可由查表法或经验确定。见表3-7 。

23、 三.选择切削用量的实例 工件材料：45钢正火，锻件。工件尺寸及要求：如图3-7。 使用机床：CA6140型车床。刀具：机夹外园车刀，刀片 YT15，刀杆尺寸16mm 25mm。几何角度 ， ， ， ，四边形刀片。 试选车削外圆的切削用量。 选择的方法和步骤： 根据工件尺寸精度和表面粗糙度要求，分粗车一半精车两道工序。 1.粗车 (1)确定背吃刀量：根据工艺半精车单边余量为 1mm ，现单边总余量为 4mm ，粗车工序尽量一刀切掉，取ap=3 mm 。 (2)选择进给量：根据表3-5 ，f=0.50.7取 f=0.6mm/r(需与机床相符)。 (3) 确定切削速度：根据表3-7，45钢正火接近

24、热轧，刀具使用寿命为60min，vc =90110m/min ，取vc =90m/min 。 确定机床转数： 根据机床标牌：取 n=400/min =421r/min 实际切削速度： =85.4m/min (4) 校验机床功率：根据表2-6 ，单位切削功率Ps =32.710 -6 Kw/(mm 3 /min) ；由表2-7得当 f =0.6mm/r时， =0.9故切削功率 Pc = Ps vc ap f 1000 =32.710-685.430.610000.9 kW =4.5 kW 机床消耗功率： = 4.5/0.8kW=5.7Kw P E 机床功率 PE =7.5 Kw，故功率足够。 计算切削工时tm ： 这里取=y=2mm。 2.半精车 (1)确定背吃刀量：ap =1mm 。 (2)确定进给量：根据表面粗糙度要求及刀具 =0.250.3mm/r）取 f=0.3mm/r。 =15 ， =0.5mm查表3-6取 vc =150m/min 。 确定机床主轴转速： 根据机床标牌取 n=710r/min 故实际切削速度： (4)计算切削工时：