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1、第7章 工件材料的切削加工性,概念：工件材料的切削加工性：在一定的加工条件下工件材料被切削的难易程度。,衡量切削加工性的指标：1.以刀具寿命T或一定寿命下切削速度VT衡量加工性以切削正火状态45钢的V60作为基准写作(V60)j，而把其他各种材料的V60同它相比，这个比值Kr称为相对加工性，即：2.以加工材料性能衡量：绝对加工性指标；(硬度、抗拉强度、伸长率、冲击韧性和热导率),7.1工件材料切削加工性的概念及衡量指标,衡量切削加工性的指标：3.以切削力或切削温度衡量切削加工性在相同切削条件下，切削力大、切削温度高的材料较难加工，即加工性差，反之加工性好。4.以已加工表面质量衡量切削加工性精加
2、工时，常常以已加工表面质量作为切削加工性指标，凡容易获得好的已加工表面质量的材料，其切削加工性较好；反之较差。,衡量切削加工性的指标：5.以切屑控制或断屑的难易衡量切削加工性在自动机床或自动生产线上，常常以切屑控制或断屑的难易衡量切削加工性。凡切屑容易控制或容易断屑的材料，其切削加工性较好，反之则较差。,以常用的切削加工性指标vT或kr来讨论1.金属材料物理力学性能的影响硬度和强度：硬度和强度适中较好加工。塑性(延伸率)：材料塑性越大，越难加工。韧性(冲击值)：韧性越高，越难加工。导热性(导热系数)：导热系数越大，加工性越好。其他物理机械性能及化学性质：线膨胀系数大，容易热胀冷缩；切镁合金时，
3、切屑容易燃烧等。,7.2影响切削加工性的因素,2.金属材料化学成份的影响材料的物理机械性能对切削加工性影响很大，但物理机械性能是由材料的化学成分决定的，钢料中各种元素的含量对切削加工性均有影响。碳：低碳钢(0.15%)塑性韧性高，高碳钢(0.5%)强度和硬度高，切削加工性降低；中碳钢(0.35%-0.45%)切削加工性较好。此外，锰、硅、铬、镍、钼、钒、铅、硫、磷、氧、氮对切削加工性也均有影响。,3.金属材料热处理状态和金相组织的影响 钢的金相组织有：铁素体、渗碳体、珠光体、索氏体、托氏体、奥氏体、马氏体等。主要通过各自的机械性能来影响切削加工性。铁素体、奥氏体的塑性和韧性很高，切削加工性较差
4、；渗碳体、索氏体、托氏体、马氏体具有较高的硬度和抗拉强度，切削加工性也较差；珠光体的硬度、强度和塑性都比较适中，其切削加工性良好。,1.调剂工件材料中化学元素(加入S、Pb)2.进行热处理(正火、退火、淬火)3.合理选用刀具材料4.合理选择刀具几何参数5.其它方法：保持切削系统的足够刚性；选用高效切削液及有效浇注方式；采用新的切削加工技术。,7.4改善材料切削加工性的途径,7.5材料切削加工性的综合分析方法 材料的物理机械性能五项主要指标:硬度HB、抗拉强度b、延伸率、冲击值ak、导热系数 k以不锈钢1Cr18Ni9Ti为例，它的切削加工性等级数字编码排列如下：,综合分析：（1）这种钢硬度和强
5、度分别为4级、3级，属于较易切削范围。（2）塑性和韧性均为8级，容易产生冷焊现象，切削变形、加工硬化和切削力都大、切削温度高，断屑困难。（3）导热性能为8级，因此导热性能差，所以刀具材料要选用耐热性能好的硬质合金。,目前，在航空、航天、造船、电站、石油化工以及国防工业中，对零件的性能提出很高的要求，例如耐磨、耐高温、耐腐蚀、耐冲击等等。而达到上述要求，一般需要采用高强度合金钢、不锈钢、高锰钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁和高硅铝合金等“难加工材料”。,7.6难加工金属材料的切削加工性,“难加工材料”难加工的原因一般是以下几个方面：高硬度；高强度；高塑性和高韧性；低塑性和高脆性；低导热性；有大量微
6、观硬质点或硬夹杂物；化学性质活泼。这些特性一般都能使切削过程中的切削力加大，切削温度升高，刀具磨损加剧，刀具使用寿命缩短；有时还将使已加工表面质量恶化，切屑难以控制；最终则使加工效率和加工质量降低，加工成本提高。,1.高强度、超高强度钢的切削加工性 与普通碳素结构钢相比，高强度钢、超高强度钢的强度高，导热系数偏低，故切削力大，切削温度高，刀具磨损快，刀具使用寿命短，断屑稍难。根据以上特点，必须采用耐磨性强的刀具材料。一般采用YT类硬质合金，最好是添加钽、铌的牌号。刀具前角应较小，例如车削35CrMnSiA时，取o-4-0。在工艺系统刚性允许的情况下，应采用较小的主偏角kr和较大的刀尖圆弧半径r
7、。切削用量，尤其是切削速度，应比加工中碳正火钢时适当降低。尽可能采用切削液与断屑措施以改善切削条件。,2.高锰钢的切削加工性 高锰钢金相组织为均匀的奥氏体。它的原始硬度虽不甚高，但其塑性和韧性特别高，加工硬化特别严重。切削过程中，工件表面上还会形成高硬度的氧化层。它的导热系数很小，切削温度很高，切削力约比加工45钢时增大60。高锰钢比高强度钢更难加工。加工高锰钢，应选用硬度高、有一定韧性、导热系数较大、高温性能好的刀具材料。粗加工时，可采用YG类或YW类硬质合金；精加工时，可采用YTl4、YG6X等合金。从提高切削刃强度和散热条件出发，前角应选小值。但为使切屑变形不致过大，前角又不宜过小。一般
8、，取。-55。切削速度应较低，进给量和背吃刀量均不能过小，以免切削刃或刀尖在上一道工序形成的硬化层中划过而加速刀具的磨损。,3.冷硬铸铁和淬硬钢的切削加工性 冷硬铸铁的硬度极高，是其难加工的主要原因。它的塑性很低，刀屑接触长度很小，切削力和切削热都集中在切削刃附近，因而切削刃很容易崩损。冷硬铸铁零件的结构尺寸和加工余量一般都较大，毛坯精度低，因而就进一步加大了加工难度。加工冷硬铸铁应选用硬度、强度都好的刀具材料，一般均采用细晶粒或超细晶粒的YG类硬质合金。为了提高切削刃和刀尖的强度，一般取。-40，主偏角kr适当减小,刀尖圆弧半径r适当加大。淬硬钢的组织为回火马氏体，硬度达HRC60以上，塑性
9、和导热系数都很低。其加工性及刀具材料、刀具几何参数的选择基本上与冷硬铸铁同。对它们进行精加工，可采用CBN刀具。,4.纯金属的加工 常用的纯金属如紫铜、纯铝、纯铁等，其硬度、强度都较低，导热系数大，对切削加工有利；但其塑性很高，切屑变形大，刀屑接触长度大并容易发生冷焊，生成积屑瘤，因此切削力较大，不容易获得好的已加工表面质量，断屑困难。此外，它们的线膨胀系数较大，精加工时不易控制工件的加工精度。加工纯金属，可以用高速钢刀具，也可以用硬质合金刀具。YG或YW类硬质合金可用于加工紫铜、纯铝，YT或YW类硬质合金可用于加工纯铁，应采用大前角和较大的后角(。2535，。112)，磨出锋利的切削刃，以减
10、小切屑变形。应尽量采用较高的切削速度和较大的切削深度、进给量，以提高生产率。,5.不锈钢和高温合金的切削加工性 不锈钢的塑性大，加工硬化很严重；导热系数小，切削温度高；加上钢中碳化物(TiC等)又易与刀具发生冷焊，故刀具磨损快，使用寿命降低。加工不锈钢时，宜采用YG类(最好添加钽、铌，如YG6A)或YW类硬质合金，较大前角与中等切削速度。高温合金强度、硬度较高，切削力很大；导热系数小，切削温度很高，刀具磨损加剧。另外合金中的高硬度化合物构成硬质点，进一步加剧了刀具的磨损；在中、低切削速度下，易与刀具发生冷焊。在高速高温下，又使刀具发生剧烈的扩散磨损。加工高温合金时，宜采用偏小的前角(。010，
11、以提高切削刃的强度)与偏低的切削速度(vc3040mmin)硬质合金。不论加工奥氏体不锈钢或高温合金，切削深度和进给量均宜适当加大，避免切削刃和刀尖划过硬化层。,高温合金切削加工性分析1)高温合金分类和加工特点 变形高温合金加工特点：高温强度高，加工硬化倾向大。导热性差。导热系数约为45钢1/51/2，切削温度高。刀具的粘结倾向大 强化元素含量高。金属碳化物、金属间化合物等硬质点，对刀具又强烈的擦伤作用，刀具使用寿命低。,铁基 GH761镍基 GH37 Inconel718钴基,在中低速时，易与刀具发生冷焊磨损在高速时，又使刀具发生剧烈的扩散磨损,2)切削高温合金应采取的措施 a）、适当的热处
12、理。对铁基高温合金可采用退火、回火处理；对镍基高温合金可采用固溶处理（淬火）b）、首选一足够的vc以保证加工质量，再选f、apc）、选择合适的刀具材料和角度 连续切：YG6X、YW1 断续切：M42、501、B201高速钢刀具：o=15 20、o=12、r=45 硬质合金刀具：o=5 10、o=8 15、r=45 75、s=-10,6.钛合金切削加工性分析,1)钛合金特点和分类a）密度小（约为）,比钢约小一倍。b）强度极限高（可达b=0.9811.37GPa），钛合金的比强度（单位重量强度）很高，尤其在高温下比强度仍很高，这一点对航空、航天工业尤为重要。c）耐热性好，在高达537时仍有足够的抗
13、拉强度和抗蠕变强度。d）耐腐蚀性能好。在550以下，钛表面形成致密的氧化膜；对大气、海水及其蒸气以及一些酸、碱、盐介质有高的抗蚀能力。e）钛在地壳中分布广。含量仅次于铝、铁和镁，占结构金属的第四位。,钛合金 1）加工时剪切角大，变形系数接近1，钛合金 易于氧化生 成硬脆相，加剧刀具磨损 2）切削温度高 导热系数是碳钢的1/51/6，高温合金的1/21/3 3）刀具磨损严重切削温度高；易形成硬质点磨损；易粘结磨损和扩散磨损；背向力较大，易引起振动。改善加工性途径：,钛合金（在882.5 以下，密排六方晶格）钛合金（在882.5 以下，体心立方晶格）+钛合金 TC4、TC5、TC9,1）不宜选用
14、YT（P）类硬质合金和TiC、TiN涂层的刀片；适合选用导热性能好的、强度高的细晶粒YG（K）类硬质合金。例如YG3X；YG6X。2）适当的刀具角度；选用较低的切削速度，中等偏小的进给量，较大的背吃刀量，以使切削刃在冷硬层下切削。,加工特点,为了对难加工材料进行切削加工，除了提高常规切削水平外，近年来，发展了多种非常规的新切削方法，在一定的条件下可用于难加工材料的加工，能提高加工效率和加工质量。有的方法比较成熟，有的尚处于研究阶段，简介如下，以扩展视野和共同开拓。,7.6难加工材料切削技术的新发展,1.加热切削法 用等离子弧对靠近刀尖将要被切除的工件材料进行加热，使其硬度、强度降低，从而改善了
15、切削条件。可以较大幅度地降低切削力。用等离子加热切削法对高硬度、高强度的金属材料进行粗加工是有效的。2.低温切削法 用液氮(-180)或液体CO2(-76)为切削液，可降低切削区温度。在加工高强度钢、耐磨铸铁、不锈钢、钛合金时均有效果。3.振动切削法 用不同形式的振动发生器，使刀具发生强迫振动。振动切削可使刀屑间摩擦系数和切削力大为降低，变形系数及切削温度亦下降。,4.真空中切削 在真空中切削钛合金能避免钛与空气中元素化合而产生对切削不利的硬脆材料，因而有好的效果。而在真空中切钢无益。5.在惰性气体保护下切削 对化学性质活泼的金属(如钛合金)的切削区，喷射惰性气体(如氩气)，使切削区材料与空气
16、隔离。因而被加工材料不与空气中元素化合而生成不利于加工的化合物，从而改善了被加工材料的加工性。6.绝缘切削 在切削过程中，工件、刀具、机床若成回路，则产生热电势、热电流，使刀具磨损加剧。如将工件、刀具与机床绝缘，切断电流，则刀具寿命有所提高。,7.超高速切削 在常规切削时，提高切削速度，将使刀具寿命降低。而当切削速度提高到一个临界值，切削温度就达到最高值，然后温度将随速度继续提高而降低，切削力也下降，零件表面质量好，仍能保持一定的刀具寿命。这就是超高速切削的理论基础。美国、德国、日本在这方面有很多研究，用硬质合金和陶瓷刀具切削钢、铸铁、钛合金、铝合金，切削速度达30008000mmin，刀具寿命尚能保持在正常水平。还有人用更高的切速(枪弹速度)进行过试验。,
