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1、第四章,切削条件的合理选择,工件材料切削加工性是指在一定切削条件下，对工件材料进行切削加工的难易程度。材料加工的难易，不仅取决于材料本身，还取决于具体的切削条件。,一、工件材料切削加工性的概念和衡量指标,第一节工件材料切削加工性,根据不同的加工要求，衡量切削加工性的指标有以下几种：,1相对加工性,表4-1,表41 工件材料的相对切削加工性等级,已加工表面质量精加工时，用被加工表面粗糙度值来评定材料的切削加工性。对有特殊要求的零件，则以已加工表面变质层深度、残余应力和加工硬化等指标来衡量材料的切削加工性。凡是容易获得好的已加工表面质量的材料，其切削加工性较好，反之则切削加工性较差,4断屑的难易程
2、度在自动机床、组合机床及自动线上进行切削加工时，或者对如深孔钻削、盲孔钻削等断屑性能要求很高的工序，采用这种衡量指标。凡是切屑容易折断的材料，其切削加工性就好；反之，则切削加工性较差。,切削力或切削温度在粗加工或机床动力不足时，常用切削力或切削温度指标来评定材料的切削加工性。即相同的切削条件下，切削力大、切削温度高的材料，其切削加工性就差；反之，其切削加工性就好。对于某些导热性差的难加工材料，也常以切削温度来衡量。,1.工件材料物理力学性能对切削加工性的影响,二、影响工件材料切削加工性的因素及改善切削加工性的途径,表4-2,表4-2 工件材料加工性分级表,1)材料的硬度和强度 一般情况下，材料
3、中硬度较高的，切削加工性能较差。工件材料的硬度高时，切屑与刀具前刀面的接触长度减小，摩擦热集中在较小的刀-屑接触面上，促使切削温度增高，刀具的磨损加剧。工件材料硬度过高时，甚至引起刀尖的烧损及崩刃。特别是材料的高温硬度对切削加工性的影响龙为显著，高温硬度值越高，切削加工性越差，因为这时刀具材料的硬度与工件材料的硬度比降低，加速了刀具的磨损。这也是某些耐热、高温合金钢切削加工性差的主要原因。,工件材料的强度包括常温强度和高温强度。工件材料的强度愈高，切削力就愈大，切削功率随之增大，切削温度因之增高，刀具磨损增大。所以在一般情况下，切削加工性随工件材料强度的提高而降低。合金钢与不锈钢的常温强度和碳
4、素钢相差不大，但高温强度却比较大，所以合金钢及不锈钢的切削加工性低于碳素钢。,(2)材料的韧性 工件材料的韧性用冲击韧度k值来表示，k值越大的材料，表明它在切削变形时吸收的能量越多。因此在切削时，切削力和切削温度越高，并且越不容易断屑，故其切削加工性能也越差。,(3)材料的塑性 工件材料的塑性以伸长率来表示。越大，则材料的塑性越大，其切削加工性能越差。这是因为塑性大的材料，切削时的塑性变形就越大，切削力就较大，切削温度也较高，并且刀具容易产生粘结磨损和扩散磨损，已加工表面的粗糙度值较大；在中低速切削塑性较大的材料时容易产生积屑瘤，影响表面加工质量；同时塑性大的材料，切削时不易断屑，切削加工性较
5、差。,但材料的塑性太低时，切屑与前刀面的接触长度缩短较多，切削力和切削热集中在切削刃附近，加剧刀具的磨损，也会使切削加工性变差。由此可知，工件材料的塑性过大或过小都会使切削加工性下降,(4)材料的导热系数 在一般情况下，导热系数高的材料，切削热越容易传出，越有利于降低切削区的温度，减小刀具的磨损，切削加工性也越好。但工件材料的温升容易引起工件变形，这对控制加工尺寸造成一定的困难，应特别引起注意。,2.常用金属材料的切削加工性,(1)结构钢 普通碳素结构钢的切削加工性主要取决于钢中的碳含量及热处理方式。合金结构钢的切削加工性能主要受加入合金元素的影响，其切削加工性较普通结构钢差。,合金结构钢的切
6、削加工性能主要受加入合金元素的影响，其切削加工性较普通结构钢差。为了改善钢的性能，钢中可加人一些合金元素如铬（Cr）、镍（Ni）、钒（V）、钼（Mo）、钨（W）、锰（Mn）、硅（Si）和铝（Al）等。其中Cr、Ni、V、Mo、W、Mn等元素大都能提高钢的强度和硬度；Si和Al等元素容易形成氧化铝和氧化硅等硬质点使刀具磨损加剧。这些元素含量较低时（一般以0.3为限），对钢的切削加工性影响不大；超过这个含量水平，对钢的切削加工性是不利的。铬钢中的铬能细化晶粒，提高强度。如40Cr钢的强度比调质中碳钢高20%，热导率低15%，加工性不如同类中碳钢。,钢中加人少量的硫、硒、铅、秘、磷等元素后，能略略降
7、低钢的强度，同时又能降低钢的塑性，故对钢的切削加工性有利。例如硫能引起钢的红脆性，但若适当提高锰的含量，可以避免红脆性。硫与锰形成的MnS以及硫与铁形成的FeS等，质地很软，可以成为切削时塑性变形区中的应力集中源，能降低切削力，使切屑易于折断，减小积屑瘤的形成，从而使已加工表面粗糙度减小，减少刀具的磨损。普通锰钢是在碳钢中加入1%2%的锰，使其内部铁素体得到强化，增加并细化珠光体，故塑性和韧性降低，强度和硬度提高，加工性较差。但低锰钢在强度、硬度得到提高后，其加工性比低碳钢好。硒、铅、秘等元素也有类似的作用。磷能降低铁素体的塑性，使切屑易于折断。根据以上的事实，研制出了含硫、硒、铅、秘或钙等的
8、易削钢。其中以含硫的易削钢用得较多。,(2)铸铁 铸铁的化学成分对切削加工性的影响，主要取决于这些元素对碳的石墨化作用。铸铁中碳元素以两种形式存在：与铁结合成碳化铁，或作为游离石墨。,在铸铁的化学成分中，凡能促进石墨化的元素，如硅、铝、镍、铜、钛等都能提高铸铁的切削加工性；反之，凡是阻碍石墨化的元素，如铬、钒、锰、钼、钴、磷、硫等都会降低切削加工性。,(3)有色金属 铜、镁、铝等有色金属及其合金因其硬度和强度较低，导热性能也好，属于易切削材料。切削时一般应选用大的刀具前角（o20）和高的切削速度（高速钢刀具V60可达300mmin），所用刀具应锋利、光滑，以减少积屑瘤和加工硬化对表面质量的影响
9、。而钛、钨、镍等有色金属及其合金则属于难加工材料。,(1)调整材料的化学成分 在不影响工件的使用性能的前提下，在钢中适当添加一些化学元素，如S、Pb等，能使钢的切削加工性得到改善，可获得易切钢，易切钢的良好切削加工性主要表现在：切削力小、容易断屑，且刀具耐用度高，加工表面质量好。另外在铸铁中适量增加石墨成分，也能改善其切削加工性。这些方法常用在大批大量生产中。,3.改善工件材料切削加工性的途径,通常采用以下两种方法：,(2)进行适当的热处理材料的化学成分相同，而金相组织不同时，其切削加工性存在着较大的差异。在各种金相组织中，铁素体的塑性较高，珠光体的塑性较低。钢中含有大部分铁素体和少部分珠光体
10、时，切削速度及刀具耐用度都较高；珠光体呈片状分布时，刀具磨损较大；而呈球状时，刀具的磨损较小；因马氏体、回火马氏体和索氏体等组织硬度较高，切削时刀具磨损大，耐用度很低。,因此，在实际生产过程中，常采用适当的热处理工艺，来改变材料的金相组织和物理机械性能，从而改善金属材料的切削加工性。,低碳钢由于塑性过高，通过冷拔或正火处理，可以适当降低其塑性，提高硬度，改善其切削加工性。高碳钢和工具钢的硬度偏高，且有较多的网状和片状渗碳体组织，较难切削。通过球化退火，降低其硬度，并能得到球状渗碳体组织，有利于切削加工。马氏体不锈钢通常要通过调质处理到HRC28左右，硬度过低时，塑性较大，不易得到较小的表面粗糙
11、度值，硬度较高时，则切削时，会使刀具磨损增大。热轧状态的中碳钢，组织不均匀，有时表面还有硬皮，也不容易切削。通过正火处理可以使其组织和硬度均匀，而改善了切削加工性。有时中碳钢也可退火后加工。铸铁件一般在切削前都要安排退火处理，以降低表层硬度，消除内应力，改善其切削加工性。,(3)选择合适的毛坯成形方式合适的刀具材料，确定合理的刀具角度和切削用量，安排适当的加工工艺过程等，也可以改善材料的切削加工性能。,随着科学技术的发展，对机械产品及其零部件的使用性能要求越来越高，为了满足使用性能的需要不断涌现出新材料，如高锰钢、高强度钢、不锈钢、高温合金、钛合金、难熔金属及其合金等难加工金属材料。它们的相对
12、加工性一般小于0.65，难加工的原因是这些材料中含有一系列合金元素，在其中形成了各种合金渗碳体、合金碳化物、奥氏体、马氏体及带有残余奥氏体的马氏体等，不同程度地提高了硬度、强度、韧度，耐磨性以及高温强度和硬度，在切削加工这些材料时，常表现出切削力大、切削温度高、切屑不易折断、刀具磨损剧烈。造成严重的加工硬化和较大的残余拉应力，使加工精度降低，切削加工性很差。,三、几种难加工材料的切削加工,1高强度钢的切削加工性,高强度钢的室温强度较高，抗拉强度在1.177GPa 以上，低合金和中合金高强度钢，经淬火及回火获得所需的高强度及硬度，硬度为4058HRC。高的室温硬度和强度是影响切削加工性的主要因素
13、。高强度钢的高硬组织在切削时，使刀刃的应力增大，切削温度升高，刀具磨损加剧。所以高强度钢在退火状态下比较容易切削。根据资料介绍，切削高强度钢所用的切削速度反比于其强度的平方。,根据高强度钢的性质和切削过程的特点，切削加工时应考虑以下几具方面的问题：,切削速度应是普通结构钢的1/81/2左右，当材料强度b=1.471.666Gpa时，切削速度v=4065m/min，材料强度增大时，切削速度按反比于其强度的平方进行修正，进给量一般要大于0.05 mm/r；应充分冷却，使用硬质合金刀具时不宜使用水溶性切削液，以免刀刃承受较大的热冲击，引起崩刃；为避免引起振动，要求工艺系统有足够的刚性，刀具的悬伸量应
14、尽量小；要选择耐磨、强度高、耐耐热冲击的刀具材料。如选择硬质合金，可以用YW类和YN类。选用高速钢时，应选用高温硬度高的高钒高钻高速钢；或者为了减少崩刃，选用碳化物细小均匀的钼系高速钢；为了防止崩刃，增强刀刃，前角应选小值或选负值，刀刃的粗糙度应该很小，刀刃刃形上不应有尖角，尖角必须用圆弧代替，刀尖圆弧半径在0.8mm以上；用高速钢刀具时，切削速度很低，一般v=310m/min.荒车及粗车一般应在退火或退火状态下进行，同时要注意断屑问题。,2高温合金的切削加工性,高温合金按基体金属可分为铁基高温合金，镍基高温合金和钻基高温合金，按生产工艺及其性能和用途，可分为变形高温合金和铸造高温合金两大类。
15、,1 铁基高温合金我国常用的铁基高温合金牌号有 GH36(4 Crl 2 Ni8Mn8MoVNb）及 GH 135(Cr 巧 Ni35WZMoZAiZ.STi2）等，这些都是变形铁基高温合金。还有铸造铁基高温合金如 K13、K14 等。铁基高温合金的抗氧化性能不如镍基合金，高温强度不如钻基合金，但比较容易切削，价格也较为低廉。铁基高温合金的组织是奥氏体，但比之于奥氏体不锈钢，表 7 一 4 所列各项影响切削加工性的因素对降低切削加工性的作用更为严重。所以铁基高温合金的相对加工性仅为奥氏体不锈钢的 1/2 左右。改善铁基高温合金切削加工性的热处理方法是“退火”处理。退火处理可使铁基高温合金的“奥
16、氏体一碳化物”型组织的固溶体稳定性增加，在切削加工时碳化物少析出或不析出，从而使硬化减少，改善了切削加工性。,2 镍基高温合金镍基高温合金又分为变形合金和铸造合金两种。常用的变形合金的牌号是 GH33(Cr20Ni77AITiZ.5)，铸造合金的牌号是 K3(17Cr12Ni68WSMo4Co5A15Ti3)等。奥氏体不锈钢仅在 650 以下具有抗氧化性，在温度更高的工作条件下，应该采用镍基高温合金。镍基高温合金导热性低，加工硬化严重，切削时与刀具粘结现象严重，故切削非常困难。影响高温合金切削加工性的因素有：y 相（金属间化合物，是高温合金的主要强化相）数量的多少、材料的真实强度 Sb（特别是
17、高温时的真实强度）、材料的伸长率占及收缩率必，y 相数量越多，Sb 愈大，a 和必愈大，则切削加工愈困难。铸造合金较变形合金切削加工性差；镍基合金较铁基合金切削加工性差。镍基高温合金在切削时，硬化程度可达 200 一 500%，因此剪切面上切应力高，切削力大，可达 45 钢的 2 一 3 倍。切削温度也很高，可高达 750 一 1000。,因此在切削高温合金时，应十分注意降低切削温度和减少加工硬化。切削镍基高温合金时应该考虑的共同问题是：,1 刀具的刀刃应该始终保持锋利。前角应为正值，但不能过大，后角一般应稍大一些。2 切削用量的合理选择很重要，一般是低切削速度，中等偏小的进给量，较大的背吃刀
18、量。应该使刀刃在冷硬层以下进行切削。镍含量对镍基高温合金的切削速度影响很大。镍含量较低时，切削速度可稍高一些。例如含镍 60 时，v=13m 八 11in；含镍 50 时，v=20m/n lin；含镍 45 时，v=26m】min。3 应该选择合适的切削液。对于镍基高温合金应避免使用含硫的切削液，否则会对工件造成应力腐蚀，影咆零件的疲劳强度。4 工艺系统刚性要高，机床功率应足够大。,改善镍基高温合金切削加工性的一个办法是进行“奥氏体一金属间化合物”，淬火加热时，可使合金内部的金属间化合物转变为固溶体。“淬火”的迅速冷却使金属间化合物析出较少。这样的组织，可使切削力减小，从而改善切削加工性。,不
19、锈钢按其组织可分为：铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、析出硬化不锈钢。铁素体与马氏体不锈钢为导磁材料，其它两种为非磁性材料。,3不锈钢的切削加工性,铁素体不锈钢的含碳量低于15%、含铬量高于14%，其金相组织为单相铁素体，塑性好，抗氧化性和耐腐蚀性均较好，但机械性能和工艺较差，多做为受力不大的耐酸结构和抗氧化钢使用。它的切削加工性与合金结构钢相似，是不锈钢中切削加工性最高的一种。,奥氏体不锈钢的含碳量较低，但Cr、Ni含量大。Cr能提高不锈钢的强度及韧性，使不锈钢具有与刀具粘结的倾向；Ni能稳定奥氏体组织。奥氏体组织塑性大，容易产生加工硬化，此外，导热性能也很低（约为45钢的1/3)，
20、所以奥氏体不锈钢较难切削。主要用于耐酸、耐碱设备及抗磁仪表、医疗器械等。,马氏体不锈钢的含碳量为0.10.5%，淬火后的硬度和强度都较高，切削也比较困难；而未经调质的马氏体不锈钢（如 2Cr13)，虽可用较高的切削速度，但很难获得较小的粗糙度。,根据不锈钢的性质和切削加工的特点，切削加工时应考虑的共同性问题是：,因切削力大，切削温度高，刀具材料应选用强度高、导热性好的硬质合金；为使切削轻快，应选用较大的前角，较小的主偏角；为避免出现粘结现象，前刀面和后面应仔细研磨，以保证较小的表面粗糙度；也可用较高的切削速度或极低的切削速度；不锈钢的切屑强韧，故应对断屑、卷屑、排屑采取相应的、可靠的措施；不锈
21、钢的导热性能低，切削区域的温度高，加之线膨胀系数较大，容易产生热变形，精加工时容易影响尺寸精度；工艺系统的刚性应尽可能高。,4钛合金的切削加工性,钛合金是一种“比强度”（强度密度）和“比刚度”（刚度密度）较高，有良好的耐蚀性和耐热性，广泛地应用于航空、航天、导弹、火箭等飞行器结构材料，也应用于造船、化工等行业。钛合金的塑性较好，能满意的进行锻造、切削加工，并且能够进行焊接。钛合金从金属组织上可分为相钛合金（包括工业纯钛）、相钛合金、（+）相钛合金。硬度及强度按相、（+）相、相的次序增加，而切削加工性按这个次序下降。钛合金的导热性能低，切屑与前刀面的接触面积很小，致使切削温度很高，可为45钢切削
22、温度的2倍，当切削时温度在600 以上时，钛与氧、氮产生间隙固溶体，对刀具有强烈的磨损作用；钛合金塑性较低，与刀齿材料的化学亲和性强，容易和刀具材料中的Ti、Co和C元素粘结，加剧了刀具的磨损；钛合金的弹性模量低，弹性变形大，接近后刀面处工件表面的回弹量（弹性恢复）大，所以已加工表面与后刀面的接触面积特别大，摩擦也比较严重。切削过程的这种特点使某些工序，如丝锥攻螺纹、铰孔及拉削（特别是花键拉削）等特别困难。,根据钛合金的性质和切削过程的特点，切削时应考虑的共同问题是：,刀具材料的选用时，对于成形和复杂刀具可选用如W6Mo5Cr4V2Al等高温性能好的高速钢。尽可能使用硬质合金刀具，以提高生产率
23、，导热性能良好的、强度高的细晶粒钨钻类硬质合金，如YG3X、YG6X等，不能选用YT类和TiC、TiN涂层的刀片；刀具几何参数的选用时，应采用较小的前角，后角应比切普通钢的大，刀尖采用圆弧过渡刃，刀刃上避免有尖角出现，刀刃的粗糙度值应尽可能小，以保证排屑流畅和避免崩刃；选用较低的切削速度，中午偏小的进给量，较大的背吃刀量，以使刀刃在冷硬层下进行切削；切削过程中应进行充分冷却，一般用乳化液或极压乳化液，必须注意腐蚀问题；工艺系统应有足够的刚度和功率。,5高锰钢的切削加工性,钢的锰含量在11%14%时，称为高锰钢。当高锰钢全部都是奥氏体组织时，才能获得较好的使用性能（如韧性、强度及无磁性等），因此
24、又称为高锰奥氏体钢。常用的有高碳高锰耐磨钢和中碳高锰无磁钢。高锰钢是典型的抗磨钢，其最重要的特点是在强烈的冲击、挤压条件下，表层迅速发生加工硬化现象，使其在心部仍保持良好的韧性和塑性的同时硬化层具有良好的耐磨性。切高锰钢削加工困难的主要原因是加工硬化严重和导热性能较差。在切削加工过程中，因塑性变形而使奥氏体组织转变为细晶粒马氏体组织，硬度由原来的180220HBS提高到 450500HBS。高锰钢的导热系数约为 45 钢的 1/4，因此切削温度高。此外高锰钢的线膨胀系数约为2010-6/，与黄铜差不多。在切削温度作用下，工件局部很快膨胀，影响加工精度，因此，尺寸精度要求高的工件应特别注意。高锰
25、钢的韧性约为45钢的 8 倍，伸长率较大，这不但使切削力增大，而且使切屑强韧，不易折断，因此对刀具材料提出了很高的强度和韧性要求。高锰钢的伸长率随温度的升高有所下降，但超过 600 时又很快增长。故切削速度不能过高，否则过高的切削温度会使伸长率增大，切削加工更加困难。,切削高锰钢时，切削速度不宜太高，一般取v=2040 m/min，由于加工硬化的严重，进给量和切削深度不宜过小，以免刀刃在硬化层中切削。一般 f=0.20.8 mm/r；背吃刀量在粗车时ap=36 mm，半精车时=13 mm。为提高切削效率，可用加热（例如用等离子电弧）切削法。这时效率可提高710倍，表面粗糙度值可大为减小。车削高
26、锰钢时，刀具材料选用强度和韧性较高的含TaC、NbC的细晶粒或超细晶粒牌号的硬质合金。刀具几何参数一般为前角o=-55，并磨出负倒棱b1=0.20.8 mm、o1=-5-15，以增强刀刃和改善散热条件。o=812。r主偏角r=45，副偏角r=1020，如果工艺系统的刚性较好，主、副偏角可选取小一些。刃倾角s=-30-5，如果前角为较大正值时，则刃倾角的绝对值必须增大，s=-20-30。,提高难切削材料切削加工性的途径有：,选择合适的刀具材料；对工件材料进行相应的热处理，尽可能在最适宜的组织状态下进行切削；提高机床一夹具一刀具一工件这一工艺系统的刚性，提高机床的功率；刀具表面应该仔细研磨，达到尽
27、可能小的粗糙度，以减少粘结，减少因冲击造成的微崩刃；合理选择刀具几何参数，合理选择切削用量；对断屑、卷屑、排屑和容屑给予足够的重视；注意使用切削液，以提高刀具耐用度。,四、非金属材料切削加工性简介,1陶瓷材料的切削加工性,陶瓷材料是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由无机化合物构成的多相固体材料。按性能和用途可分为：普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷又叫传统陶瓷，是指在日用、建筑、艺术、卫生、电工和化工等方面使用的陶瓷。特种陶瓷又叫精细陶瓷，可又分为结构陶瓷（高强度陶瓷和高温陶瓷）和功能陶瓷（磁性、介电、半导体、光学和生物陶瓷等）两类。机械工程中应用较多的主要是精细陶瓷。,2复
28、合材料的切削加工性,复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。该类材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可具有组分单独不具有的独特性能。,复合材料按用途主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。,结构复合材料主要作为承力结构使用的材料，由能承受载荷的增强体组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。结构材料通常按基体的不同分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料和水泥基复合材
29、料等。功能材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。,下面以纤维复合材料即纤维增强材料为例说明复合材料的切削加工的特点是：,纤维增强材料的切削层是在剪切与弯曲的联合作用下去除的，切削功率大；材料的弹性模量多比钢材低，切削时将产生较大的弹性变形，增大擦，将生成大量的摩擦热；此外纤维增强材料的导热系数比金属低，切削酷易很快散出，因此切削纤维增强材料时的切削温度很高；切削纤维增强材料时不仅切削温度很高，而且
30、集中在刀具刀刃附近很小的区域内，加上纤维的弹性恢复及粉末状的切削剧烈擦伤刀具表面，特别是在切削强度较高的纤维增强材料时，在刀具后面垂直于切削刃的方向上，会产生线隙形沟条状磨损，好象丝线快速擦过梳齿时留下的集中磨损沟痕一样，因此刀具磨损快，刀具耐用度低。由于纤维方向与轴线间的夹角不同，以及增强纤维和看系数不同，使切削加工后的表面易产生残余应力，且不易达到较高的表面质量和精度要求。由于切削温度高会使基体树脂软化变质，所以切削纤维增强材料时，必须严格限制切削速度，即必须把切削温度控制在一定范围内，并且不能随意使用切削液，以免吸入液体后影响材料的使用性能。,石材种类繁多，就其生成和来源分类，有天然和人
31、造两大类。用于建筑装修和机械平台的，必须经过机械加工的天然石材有：大理石、花岗石等，此外还有人造大理石以及水磨石等人造石材。天然大理石和花岗石由于具有质地坚硬、色彩缤纷、古朴典雅、抗震耐压、耐酸、抗风化和磨光性好等特点被广泛用于高级豪华的建筑装修上；又由于其具有绝缘性和绝热性好以及线膨胀系数小的特点，近年来在机械制造业中，越来越多地得到应用。近年来也有关于用金刚石刀具切削石材的报道，如用镶有人造金刚石（SDR）刀头的铣刀盘精整铣切厚度为10 mm的花岗石板（精度0.05 mm)；用聚晶金刚石车刀切削印度黑花岗石圆盖板，得到了比用硬质合金车刀切削好得多的表面粗糙度，还消除了振纹。切削石材的切削用
32、量，则随石材种类、加工用设备、刀具以及生产条件的不同而不同，应通过切削试验来确定。,3石材的切削加工性,第二节切削液,在切削加工中，合理使用金属切削液的可以降低切削时的切削力及刀具与工件之间的摩擦，及时带走切削区内产生的热量以降低切削温度，减少刀具磨损，提高刀具耐用度，同时能减小工件热变形，抑制积屑瘤和鳞刺的生长，从而提高生产效率，改善工件表面粗糙度，保证工件加工精度，达到最佳经济效果因此，了解切削液的功用，合理选用切削液对实际生产具有重要的意义。,一、切削液的分类,切削加工中最常用的切削液可分为水溶性、非水溶性和固体润滑剂三大类，下面列出的是常用的切削液的种类。,(1)水溶性切削液 主要有水
33、溶液和乳化液。水溶液是由基础油（或不含基础油）、防锈添加剂、表面活性剂、水以及其他添加剂复配而成，使用时根据加工情况用水配成一定浓度的稀释液使用。乳化液是由矿物油、乳化剂及其它添加剂配制而成，用9598的水稀释后即成为乳白色或半透明状的乳化液，为了提高其防锈和润滑性能，再加入一定物添加剂。水溶性切削液有良好的冷却性能和清洗作用，还有一定的防锈与润滑作用。离子型切削液是水溶性切削液中的一种新型切削液，其母液是由阴离子型、非离子型表面活性剂和无机盐配制而成。它在水溶液中能离解成各种强度的离子。切削时，由于强烈摩擦所产生的静电荷，可由这些离子反应迅速消除，降低切削温度，提高刀具耐用度。(2)非水溶性
34、切削液 主要是切削油，其中有各种矿物油（如机械油、轻柴油、煤油等）、动植物油（如豆油、猪油等）和加人油性、极压添加剂配制的混合油，不含水，在使用时不用不稀释。它主要起润滑作用。(3)固体润滑剂 在攻螺纹时，常在刀具或工件上涂上一些膏状或固体润滑剂。膏状润滑剂主要是含极压添加剂的润滑脂。固体润滑剂主要是二硫化钼蜡笔、石墨、硬脂酸皂、蜡等。用二硫化钼蜡笔涂在砂轮、砂盘、带、丝锥、锯带或圆锯片上，能起到润滑作用并降低工件表面的粗糙度，延长砂轮和刀具的使用寿命，减少毛刺或金属的熔焊。,在实际生产中对切削液的要求主要是润滑作用和冷却作用，同时还要求有良好的流动性，能够清洗碎屑或磨粉等，以及防锈作用。此外
35、，还要求符合环保要求：无毒、无味、良好的化学稳定性以及不能影响人身健康。,二、切削液的功用,1切削液的功用,（1）冷却作用 通过切削液的对流和汽化作用把因切削而发热的刀具（或砂轮）、切屑和工件间的把切削热从刀具和工件处带走，从而有效地降低切削温度，减少工件和刀具的热变形，提高加工精度和刀具耐用度。在切削速度高、刀具、工件材料导热性差、热膨胀系数较大的情况下，切削液的冷却作用龙显重要。（2）润滑作用 切削液能渗入到刀具与切屑、加工表面之间形成润滑膜或吸附膜，可以减小前刀面与切屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，从而减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材
36、料的切削加工性能，减小摩擦。,（3）清洗作用 在金属切削过程中，切削液可以冲走切削区域和机床上的细碎切屑、脱落的磨粒和油污，防止划伤已加工表面和导轨，使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利，不致影响切削效果。（4）防锈作用 在切削液中加入防锈剂，可在金属表面形成一层保护膜，起到防锈作用。防锈作用的强弱，取决于切削液本身的成分和添加剂的作用。(5)其它作用 除了以上四种作用外，切削液应具备良好的稳定性，在贮存和使用中不产生沉淀或分层、析油、析皂和老化等现象。对细菌和霉菌有一定抵抗能力，不易长霉及生物降解而导致发臭、变质。,为改善切削液的性能而加入的一些化学物质，称为切削液的添加剂。常用的添加剂有以下几种
37、。常见的有油性和极压添加剂、防锈添加剂、防霉添加剂、抗泡沫添加剂以及乳化剂等，如表4-3所示。,切削液的添加剂,（1）油性添加剂 油性添加剂主要应用于低压低温边界润滑状态，它在金属切削过程中主要起渗透和润滑作用，降低油与金属的界面张力，使切削油很快渗透到切削区，在一定的切削温度作用下进一步形成物理吸附膜，减小前刀面与切屑、后刀面与工件之间的摩擦。主要起润滑作用，常用于低速精加工。常用的油性添加剂有动物油、植物油、脂肪酸、胺类、醇类和脂类等。,（2）极压添加剂 在极压润滑状态下，切削液中必须添加极压添加剂来维持润滑膜强度。常用的极压添加剂是含硫、磷、氯、碘等的有机化合物，这些化合物在高温下与金属
38、表面起化学反应，生成化学吸附膜，它比物理吸附膜的熔点高得多，可防止极压润滑状态下金属摩擦界面直接接触，减小摩擦，保持润滑作用。,（3）表面活性剂 它是使矿物油和水乳化而形成稳定乳化液的添加剂。它能吸附在油水界面上形成坚固的吸附膜，使油很均匀地分散在水中，形成稳定的乳化液。,(4)乳化稳定剂 乳化液中加入稳定剂的作用有两个方面：一是使乳化油中的皂类借稳定剂的加溶作用与其他添加剂充分互溶，以改善乳化油及乳化液的稳定性；二是扩大表面活性剂的乳化范围，提高稳定性。但是，在使用乳化稳定剂低分子醇时，应特别注意，因它同时又是破乳剂，如用量过大会造成油水分层。,（5）防锈添加剂 它是一种极性很强的化合物，与
39、金属表面有很强的附着力，吸附在金属表面上形成保护膜，或与金属表面化合形成钝化膜，起到防锈作用。,(6)防霉添加剂 乳化液长期使用以后，容易变质发臭，这是由于细菌繁殖的结果。只要加入万分之几的防霉添加剂，即可起到杀菌和抑制细菌繁殖的效果。但防霉添加剂会引起操作者皮肤起红斑、发痒等，所以一般不用。,(7)抗泡沫添加剂 切削液中一般都加入防锈添加剂、乳化剂等表面活性剂，这些物质增加了混入空气而形成泡沫的可能性。如果泡沫过多，会降低切削液的效果。若加入百万分之几的抗泡沫添加剂(如二甲基硅油)，可以有效地防止形成泡沫。在高速强力磨削时，由于会产生比较多的泡沫，所以必须在磨削液中添加适量的抗泡沫剂，并作消
40、泡试验。,三、切削液的选择和应用,在选用不同的切削液时，首先根据工件材料、刀具材料、加工方法和要求精度等条件，同时综合考虑安全性、废液处理、环保等限制项目。如果要强调防火的安全性，就应考虑选用水溶性切削液，当选用水溶性切削液时，就应考虑废液的排放问题，企业应具备废液处理的设施等。,1.从工件材料方面考虑,在切削普通结构钢等塑性材料时，要采用切削液，而在加工铸铁等脆性材料时，可以不用切削液，因为作用不明显，同时还会污染工作场地。切削材料中含有铬、镍、钼、锰、钛、钒、铝、妮、钨等元素时，往往就难于切削加工，对切削液的冷却、润滑作用都有较高的要求，此时应尽可能采用极压切削油或极压乳化液。加工铜、铝及
41、其合金不能用含硫的切削液。精加工铜及其合金、铝及其合金或铸铁时，主要是要求达到较小的表面粗糙度，可选用离子型切削液或10%12%乳化液。,2从刀具材料方面考虑,高速钢刀具粗加工时，应选用以冷却作用为主的切削液，主要目的是降低切削温度；硬质合金刀具粗加工时，可以不用切削液，必要时也可以来用低浓度的乳化液或水溶液，但必须连续地、充分地浇注，否则刀片会因冷热不均而产生裂纹。,粗加工时，切削用量较大，产生大量的切削热，容易导致高速钢刀具迅速磨损。这时主要是要求降低切削温度，应选用冷却性能为主的切削液，如离子型切削液或3%5%乳化液。在较低速切削时，刀具以机械磨损为主，宜选用以润滑性能为主的切削油；在较
42、高速度切削时，刀具主要是热磨损，要求切削液有良好的冷却性能，宜选用离子型切削液和乳化液。精加工时，切削液的主要作用是减小工件表面粗糙度和提高加工精度。对一般钢件加工时，切削液应具有良好的渗透性、润滑性和一定的冷却性。在较低速度(6.03Om/min）时，为减小刀具与工件间的摩擦和粘结，抑制积屑瘤，以减小加工粗糙度，宜选用极压切削油或 10%12%极压乳化液或离子型切削液。,3从加工要求方面考虑,4.从加工方法方面考虑,铰削、拉削、螺纹加工、剃齿等工序的加工刀具与已加工表面摩擦严重，应选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液。因为成形刀具、齿轮刀具价格昂贵，要求刀具使用寿命长，可采用极压切
43、削油。一磨削加工时，温度较高，工件容易烧伤，还会产生大量的碎屑。这些碎屑连同脱落的砂粒会已加工表面，因此要求切削液应具有良好的冷却和清洗作用，常用乳化液。但选用离子型切削液效果更好，而且价格也较便宜。磨削难加工材料，宜选用润滑性能较好的极压乳化液或极压切削油。在实际生产中，切削液的施加方法，以浇注法用得最多。使用此法时，切削液流量应充足，浇注位置应尽量接近切削区。车、铣时，切削液流量约为 1020L/min。车削时，从后刀面喷射浇油比在前刀面上直接浇油，刀具耐用度提高一倍以上。深孔加工时，应使用大流量(0.832.5L/s)、高压力(110MPa)的切削液，以达到有效地冷却、润滑和排屑的目的。
44、图4-1所示的喷雾冷却装置是利用入口压力为0.30.6MPa的压缩空气使切削液雾化，并高速喷向切削区，当微小的液滴碰到灼热的刀具、切屑时，便很快汽化，带走大量的热量，从而能有效地降低切削温度。喷离喷嘴的雾状液滴因压力减小，体积骤然膨胀，温度有所下降，从而进一步提高了它的冷却作用。这种方法叫喷雾冷却法。,图4-1,第三节 刀具合理几何参数的选择,一、刀具的合理几何参数,刀具合理几何参数的选择是否合理，对刀具使用寿命、加工质量、生产效率和加工成本等有着重要影响。所谓刀具合理的几何参数，是指在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、较高生产率、较低加工成本的刀具几何参数。CIRP(国际生产工程
45、研究学会)的一项研究报告指出：“由于刀具材料的改进，刀具的允许切削速度每隔十年几乎提高一倍；由于刀具结构和几何参数的改进，刀具使用寿命每隔十年几乎提高二倍。”这也说明了选择刀具合理几何参数的重要意义。,一般地说，刀具的合理几何参数包含以下四个方面基本内容：,(1)刃形 刃形是指切削刃的形状，有直线刃、折线刃、圆弧刃、月牙弧刃、波形刃、阶梯刃及其他适宜的空间曲线刃等。刃形直接影响切削层的形状，影响切削图形的合理性；刃形的变化，将带来切削刃各点工作角度的变化。因此，选择合理的刃形，对于提高刀具使用寿命、改善已加工表面质量、提高刀具的抗振性和改变切屑形态等，都有直接的意义。(2)切削刃刃区的剖面型式
46、及参数 通常将切削刃的剖面型式简称为刃区型式。针对不同的加工条件和技术要求，选择合理的刃区型式(如锋刃、后刀面消振棱刃、前刀面负倒棱刃、倒圆刃、零度后角的刃带)及其合理的参数值，是选择刀具合理几何参数的基本内容。图4-2所示为五种刃区型式。,(3)刀面型式及参数 前刀面上的卷屑槽、断屑槽，后刀面的双重刃磨、铲背以及波形刀面等，都是常见的刀面型式。选择合理的刀面型式及其参数值，对切屑的变形、卷曲和折断，对切削力、切削热、刀具磨损及使用寿命，有着直接的影响，其中前刀面的影响和作用更大。(4)刀具角度 刀具角度包括主切削刃的前角o、后角o、主偏角主偏角r、刃倾角s和副切削刃的副后角o、副偏角kr等。
47、,二、前角及前刀面形状的选择,从金属切削的变形规律可知，前角是切削刀具上重要的几何参数之一，它的大小直接影响切削力、切削温度和切削功率，影响刃区和刀头的强度、容热体积和导热面积，从而影响刀具使用寿命和切削加工生产率。,1.前角的主要功用,(1)影响切削区域的变形程度 增大刀具前角，可以减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前刀面的摩擦阻力，从而减小了切削力、切削热，使刀具的耐用度提高。(2)影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件 增大刀具前角，会使刀具楔角减小，使切削刃与刀头的强度降低，刀头的导热面积和容热体积减小；前角过大，有可能导致切削刃处出现弯曲应力，造成崩刃。因此，刀具前角
48、过大时，刀具耐用度也会下降。(3)影响切屑形态和断屑效果 若减小前角，可以增大切屑的变形，使之易于脆化断裂。(4)影响已加工表面质量 增大前角可以抑制积屑瘤和鳞刺的产生，减轻切削过程中的振动，减小前角或者采用负前角时，振幅急剧增大，如图4-3所示。,由此可见，增大或减小前角，各有利弊。例如，从切削热的产生和散热来说，增大前角，可以减小切削热的产生，切削温度不致太高；但如果前角太大，则因刀头导热面积和容热体积减小，切削温度反而升高。在切削很硬的材料时，应用较小的前角，甚至选用适宜的负前角，以加强切削刃，并改善刀头容热和散热条件；但若是前角太小，或取很大的负前角，则因切削变形严重，产生热量来不及散
49、逸，结果还会使切削温度上升。可见，在一定的条件下，前角有一个合理的数值。,图4-4为刀具前角对刀具耐用度影响示意图。可见前角太大、太小都会使刀具使用寿命显著降低。对于不同的刀具材料，各有其对应着刀具最大使用寿命的前角，称为合理前角。显然，由于硬质合金的抗弯强度较低，抗冲击韧性差，其也就小于高速钢刀具的。同理，工件材料不同时，刀具的合理前角也不同(如图4-5所示)。从实验曲线可以看出，加工塑性材料比加工脆性材料的合理前角值大，加工低强度钢比加工高强度钢的合理前角值大。这是因为切削塑性大的金属材料产生的切屑，在切削过程中，它同前刀面接触长度(刀屑接触长度)较大，由于塑性变形的缘故，刀屑之间的压力和
50、摩擦力很大，为了减少切削变形和切屑流动阻力，应取较大的前角。加工材料的强度硬度较高时，由于单位切削力大，切削温度容易升高，为了提高切削刃强度，增加刀头导热面积和容热体积，需适当减小前角。切削脆性材料时，塑性变形不大，切出的崩碎切屑，与前刀面的接触长度很小，压力集中在切削刃附近，为了保护切削刃，宜取较小的前角。,图4-4、图4-5,以上所讲的都是保证刀具最大使用寿命的前角。在某些情况下，这样选定的未必是最适宜的，例如在出现振动的情况下，为了减小振动的振幅或消除振动，除采取其他措施外，有时需增大前角；在精加工条件下，往往需要考虑加工精度和已加工表面的粗糙度要求，选择某一适宜的前角；有些刀具需考虑其
