第8章工件材料的切削加工性与切削液1

• （2）铸铁中化学元素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。 • 铸铁中的碳元素以两种： Fe3C与游离石墨形式 存在。石墨具有润滑作用，铸铁中的石墨愈多， 愈容易切削，因此，铸铁中如含有Si、Al、Ni、 Cu、Ti等促进石墨化的因素，能改善其加工性； 而含有Cr、Mn、V、Mo、Co、S、P等阻碍石 墨化的元素，则会使切削加工性变差。Fe3C的 存在会加快刀具的磨损。
• 8.2.2改善材料切削加工性的途径
• 1．调整化学成分 • 材料的化学成分对其力学性能和金相组织有重要影响。 在满足要求的条件下，通过调整工件材料的化学成分， 可使其切削加工性得以改善。目前，生产上使用的易切 钢就是在钢中加入适量的易切削元素S、P、Pb、Ca等制 成的。这些元素在钢中可起到一定的润滑作用并增加材 料的热脆性。 • 2．对工件材料进行适当的热处理 • 通过热处理工艺方法，改变钢铁材料中的金相组织是改 善材料加工性的另一重要途径。高碳钢通过球化退火处 理，使片状渗碳体组织转变为球状，降低了材料的硬度， 从而可改善了其加工性。低碳钢通过正火处理，可减小 其塑性，提高硬度，使加工性得到改善。
• 8.3.2切削液的合理选用和使用方法 • 1.切削液的合理选用 • （1）粗加工 粗加工切削用量大，产生大量的切削热。这时主要是求降 低切削温度，应选用冷却为主的切削液，如3%～5%乳化液。 • 硬质合金刀具耐热性较好，一般不用切削液。如要使用切削液，必需连 续、充分地浇注，以免因冷热不均产生很大的热应力，而导致热裂，损 坏刀具。 • 低速切削宜选切削油 ，高速切削宜选乳化液或水溶液 。 • （2）精加工 精加工对工件表面粗糙度和加工精度要求较高，因此选 用的切削液应具有良好的润滑性能。低速精加工钢料时可选用极压切削 油或高浓度极压乳化液。精加工铜、铝及其合金或铸铁时，可选用高浓 度乳化液。因硫酸能腐蚀铜，在切削铜料时不宜用含硫的切削液。 • （3）难加工材料的切削 加工难加工材料时，接触面均处于高温高压边 界摩擦状态。因此，宜选用极压切削油或极压乳化液。 • （4）磨削加工 其特点是温度高同时产生大量的细屑、砂末。故应选用 有良好冷却清洗作用的切削液。常用有润滑性能和防锈作用的乳化液和 水溶液。
6
0.50～0.65
7 8
0.15～0.50 < 0.15
• 3.以切削力或切削温度衡量加工性 • 在相同切削条件下加工不同材料时，凡切削力大、切削温 度高的材料加工性差；反之加工性好。切削力大，则消耗 功率多。在粗加工或机床刚性、动力不足时，可用切削力 作为衡量加工性指标。 • 4.以加工表面质量衡量加工性 • 切削加工时，凡容易获得好的加工表面质量(含表面粗糙度、 加工硬化程度和表面残余应力等)的材料，其切削加工性较 好，反之较差。精加工时，常以此作为衡量加工性的指标。 • 5.以断屑性能衡量加工性
• 3.乳化液 • 乳化液是将乳化油用水稀释而成。乳化油是由矿物油、乳化剂及添加 剂配成，用95—98％水稀释后即成为乳白色或半透明状的乳化液。 • 乳化液具有良好的冷却作用，但因为含水量大，所以润滑、防锈性能 均较差。为了提高其润滑性能和防锈性能，可再加入一定量的油性、 极压添加剂和防锈添加剂，配制成极压乳化液或防锈乳化液。
8.3切削液及其合理选用
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• • •
8.3.1切削液的基本性能和种类
1.切削液的基本性能 （1）冷却作用 切削液的冷却作用主要靠热传导带走大量的热来降低切削 温度，冷却性能取决于它有导热系数、比热容、汽化热、 汽化速度、流量、流速等。水溶液的冷却性能最好，切削 油较差。 （2）润滑作用 切削液的润滑作用是通过切削液的渗透作用到达切削区后， 在刀具、工件、切屑界面上形成吸附膜实现的。金属切削 时切屑、工件与刀具界面的摩擦可分为干摩擦、液体润滑 摩擦和边界润滑摩擦三类。
加工性 等级 1 2
名称及种类
相对加工性 Kv > 3.0 2.50～3.00
典型材料
很容易切削 材料 容易切削材 料
一般有色金 属 易切削钢
5-5-5铜铅合金,9-4铝铜合金, 铝镁合金 退火15Cr,σ b=0.37～0.441GPa 自动机钢,σ b=0.393～0.491GPa 正火30钢σ b=0.441～0.549GPa 45钢,灰铸铁
• ⑵强度 • 强度高的材料，切削时力大、温度高，刀具易磨损，加工性不好。 如1Cr18Ni9Ti，常温硬度不太高，但高温下仍能保持较高强度， 故加工性差。 • ⑶塑性 和韧性 • 强度相近的同类材料，塑性越大，切削中塑性变形和摩擦越大， 故切削力大、温度高，刀具易磨损。在低速度切削时，还易产生 积屑瘤和鳞刺，使加工表面粗糙度增大，且断屑也较困难，故加 工性差。另外塑性太小的材料，切削时切削力、热集中在刀刃附 近，刀具易产生崩刃，加工性也较差。在碳素钢中，低碳钢的塑 性过大，高碳钢的塑性太小、硬度又高，故它们的加工性都不如 硬度和塑性都适中的中碳钢好。 • ⑷热导率 • 热导率通过对切削温度的影响而影响材料的加工性。导热率大 的材料，由切屑带走和工件散出的热量多，有利于降低切削温度， 使刀具磨损速率减慢，故加工性好。另外，韧性大，与刀具材料 的化学亲和性强的材料，其加工性也不好。
第8章工件材料的切削加工性与切削液 8.1工件材料的切削加工性
8.1.1切削加工性的相对性 材料的切削加工性是指在一定条件下对某种材 料进行切削加工的难易程度。 切削加工性的概念具有相对性。所谓某种材料 切削加工性好坏，是相对于另一种材料而言的。 一般在讨论钢料的切削加工性时，习惯地以碳 素结构钢45为基准。如称高强度钢比较难加工， 就是相对于45钢而言的。
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• 2.切削液的使用方法 • 常见的切削液使用方法有浇注法、高压冷却法和喷雾冷却法： • 1）浇注法 • 浇注法使用方便，应用广泛，但流量慢、压力低，较难直接进入刀刃最 高温度处，故效果较差。使用时应使切削液尽量接近切削区。当用不同 刀具切削时，最好能根据刀具的形状和切削刃的数目，相应地改变浇注 口的形式和数目。 • 2）高压冷却法 • 深孔加工时，利用高压的切削液，可以直接接近切削区起冷却、润滑作 用，并将碎断的切屑随液流带出孔外。高压冷却法还可用于高速钢车刀 进行难切削材料的车削，可显著提高刀具耐用度。切削液可用一般乳化 液也可用切削油。由于切削液的高速流动，改善了渗透性，易于达到切 削区，提高了冷却效果。缺点是飞溅严重，需加护罩。
• 8.1.2衡量材料切削加工性的指标
• 根据不同的要求，可以用不同的指标来衡量材料的切削加工性。 • 1．以刀具使用寿命衡量加工性
• 在相同切削条件下加工不同材料时，若在一定切削速度下刀具寿命T 较长或一定寿命下所允许的切削速度vc较高的材料，则其加工性较好； 反之，其加工性较差。
• 2.以切削速度vT衡量加工性 • 在刀具使用寿命T相同的情况下，切削速度vT较高的材料，则其加工 性较好；反之，其加工性较差。如将寿命T定为60min，则vT可写作 v60。一般以正火状态45钢的v60为基准，写作（v60）j，然后把其它各 种材料的v60于之相比，这个比值Kv，称为相对加工性，即： • Kv＝V60／(V60)j • 常用工件材料的相对加工性可分为八级 ，Kv大于1的材料，其加工性 比45钢好；Kv小于1者，加工性比45钢差。vT和Kv是最常用的加工性 衡量指标，在不同的加工条件下都使用。
3 4 普通材料
较易切削钢 一般钢及铸 铁
1.60～2.50 1.00～1.60
5
稍难切削材 料
难切削材料 较难切削材 料 难切削材料 很难切削材 料
0.65～1.00
2Cr13调质, σ b=0.834GPa 85钢σ b=0.883GPa
65Mn调质,σ b=1.03GPa 45Cr调质, σ b=0.932～ 0.981GPa 50CrV调质,1Cr18Ni9Ti,某些钛 合金 某些钛合金,铸造镍基高温合金
• 2.材料的化学成分 • （1）对钢主要是通过对材料物理力学性能的影响来影响切削加工 性。
• 1）碳对切削加工性的影响
• 碳素钢的强度、硬度随含碳量的增加而提高，而塑性、韧性则随含 碳量的增加而降低。低碳钢的塑性、韧性较高，高碳钢的硬度及强 度较高，这都给切削加工带来一定的困难。中碳钢的硬度、强度、 塑性及韧性居于高碳钢与低碳钢之间，所以切削加工比较容易。 • 2）合金元素对切削加工性的影响 • 在金属中加入合金元素，一般将提高材料的力学性能，并改变材 料的物理性能，从而提高了金属的反切削能力。故一般降低切削加 工性，硅、铬、镍、钒、钼、钨、镉等合金元素的加入均会降低材 料的可切削加工性。硫、硒、铅等合金元素的加入可改善材料的可 切削加工性。
• 切削加工时，凡切屑易于控制或断屑性能良好的材料加工 性较好，反之则较差。在自动机床或自动线上，常以此为 衡量加工性指标。
8.2影响工件材料切削加工性的因素及改善途径
• 8.2.1影响工件材料切削加工性的因素
• 工件材料的物理力学性能、化学成分和金相组织是影响加工性的 主要因素。 • 1．材料的物理力学性能 • ⑴硬度 • 硬度高的材料，切削时刀屑接触长度小，切削力和切削热集中在 刀刃附近，刀具易磨损、寿命低，所以加工性不好。如高温合金、 耐热钢，由于高温硬度高，高温下切削时，刀具材料与工件材料 的硬度比降低，使刀具磨损加快，加工性差。另外，硬质点多和 加工硬化严重的材料，加工性也差。并不是材料的硬度越低，越 好加工。有些金属如低碳钢、纯铁、纯铜等硬度虽低，但塑性很 高，也不好加工。硬度适中(HBl60—200)的钢材较好加工。此外， 适当提高材料的硬度，有利于获得较好的加工表面质量。
• 表面活性剂
• 乳化剂是一种表面活性剂，是使矿物油和水乳化形成稳定乳化液的添 加剂。表面活性剂是由亲水极性基团和亲油非极性基团两部分组成。 乳化剂加入油与水中，它能定向地排列并吸附在油水两界面上，极性 端向水，非极性端向油，把油和水连接起来，降低油—水的界面张力， 使油以微小的颗粒稳定地分散在水中，形成稳定水包油乳化液，金属 切削时应用的就是这种水包油的乳化液。
• 3.材料的金相组织 • 一般情况下，塑性、韧性高或硬度、强度高的组织构成的材 料，则切削加工性差。反之则好。 • 钢铁材料中，不同的金相组织具有不同的力学性能，因此工 件材料中，金相组织及其含量不同时，其加工性也不同。铁 素体塑性和韧性很高、硬度低，故切削时粘结严重，加工性 不好。珠光体呈片状分布时硬度较高，刀具磨损较严重，而 呈球状分布时硬度较低切削加工性较好。奥氏体硬度不高但 塑性和韧性很高，切削时变形及加工硬化严重，切削加工性 较差。马氏体、索氏体及托氏体的硬度较高切削加工性差。 • 灰铸铁是Fe3C和其他碳化物与片状石墨的混合体。它的硬度 虽与中碳钢相近，但抗拉强度和延伸率均甚小，即脆性很大， 切削力较小。球墨铸铁和可锻铸铁的抗拉强度和延伸率显著 提高，但仍低于钢料，它们的切削加工性比灰铸铁和钢料都 要好。
• （4）防锈作用
• 切削液应具有一定的防锈作用，以减少工件、机床、刀具的腐蚀。 防锈作用的好坏，取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂 的性质。
• 2.切削液的分类
• 常用的切削液可分为三大类：水溶液、切削油、乳化液。
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1.水溶液
• 水溶液的主要成分是水，冷却性能好，配成液呈透明状，便于操 作者观察。但单纯的水容易使金属生锈，且润滑性能欠佳。因此， 经常在水溶液中加入一定的添加剂，使其既能保持冷却性能又有 良好的防锈性能和一定的润滑性能。 • 2.切削油 • 切削油的主要成分是矿物油，少数采用动植物油或复合油。纯矿 物油不能在摩擦界面上形成坚固的润滑膜，润滑效果一般。在实 际使用中常常加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂以提高 其润滑和防锈性能。动植物油有良好的油性，适于低速精加工， 但是它们容易变质，因此最好不用或少用，而应尽量采用其他代 用品，如含硫、氯等极压添加剂的矿物油。
• •
• 加入切削液后，切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜，金 属直接接触面积很小或近于零，形成液体润滑。但很多情况下， 由于切屑、工件与刀具界面承受很大载荷、较高的温度，液体油 膜大部分被破坏，造成部分金属直接接触，部分吸附膜仍存在润 滑作用，这种状态称之为边界润滑摩擦。金属切削中的润滑大都 属于边界润滑状态。 • 边界润滑状态下，切削液的润滑性能与其渗透性、成膜能力以及 形成吸附膜的强度有关。 • （3）清洗作用 • 切削液具有冲刷切削中产生的碎屑（如磨削）的作用。清洗性能 的好坏，与切削液的渗透性、流动性和使用的压力有关。