第7章 工件材料的切削加工性

中碳钢: 组织不均匀 可正火或退火 低碳钢: 硬度低塑性高 可正火或调质 铸铁 : 一般在加工前退火
b. 调整材料的化学成分 硫,磷,硒,铋,钙,铅━━有利于切削加工
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7.难加工金属材料的切削加工性
随着科学技术的不断发展,对材料的要求不断提高……
难加工金属材料主要特征:
1 ) 高硬度 2 ) 高强度 3 ) 高塑性和高韧性 4 ) 低塑性和高脆性 5 ) 低导热性 6 ) 有大量硬质点或硬夹杂物
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• 已加工表面质量
• （1）一般精加工，以表面粗糙度衡量 • （2）特殊精密零件，以表面变质层深度、残余应力、硬 化程度来衡量
• 单位面积切削力
• 多用于机械系统动力不足或刚性不足的时候
• 断屑性能 • 多用于自动机床，组合机床，自动线，深孔钻，盲孔
镗
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3材料的相对加工性
【定义】被切削材料的V60与标准45钢[σb =0.637GPa] 的(V60j) 之比。 • Kv=V60/(V60j) • 常用材料的相对加工性可分为8级，Kv大致在 0.15~3.0之间。 • 相对加工性仅对选择切削速度有指导意义 • 当 Kv ＞1时，该材料比45钢容易切削，例如有色 金属Kv ＞3； • 当 Kv ＜1时，该材料比45钢难切削，例如高锰钢、 钛合金 Kv ≤0.65，均属难加工材料。
7 ) 化学性能活泼
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什么是难切削材料？
• 材料的性能如硬度大于250HB，抗拉强度大 于1000MPa，延伸率δ大于30％，冲击值αK 大于100MPa，导热系数K小于41.8W/m.k， 都属于难切削材料。
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高锰钢的切削加工性
• 钢中锰元素含量在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)，因此又称为高锰奥氏体钢。 • 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 。
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• 4).铝、镁等非铁合金 • 硬度较低，且导热性好，故具有良好的切削加工 性。 • 加工铝合金时，不宜采用陶瓷刀具。 • 一般不使用切削液。 • 铝合金：乳化液和煤油 • 镁合金：严禁使用水剂和油剂，宜于自然空冷和 采用压缩空气冷却。
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6.小结
a. 通过热处理改变材料的组织和机械性能
高碳钢: 硬度高 加工困难 可球化退火 降低硬度
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• 2).合金结构钢 • 合金结构钢的切削加工性一般低于含碳量 相近的碳素结构钢。
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• 3).普通铸铁：与具有相同基体组织的碳素钢相比， 切削加工性好 • 其金相组织是金属基体加游离态石墨。 • 石墨的作用： • 优点：石墨降低了铸铁的塑性，切屑易断，有润 滑作用，使切削力小，刀具磨损小。 • 缺点：石墨易脱落，使已加工表面粗糙。切削铸 铁时形成崩碎切屑，造成切屑与前刀面的接触长 度非常短，使切削力、切削热集中在刃区，最高 温度在靠近切削刃的后刀面上。
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4.影响工件材料切削加工性的因素
1）硬度 a.常温硬度 硬度适中(HB160-200),加工性好.太硬,太软都不好加工. 硬度和强度越高，切屑与前刀面的接触长度越小，切削温度集 中，刀具磨损加剧，材料的切削加工性就越差。 b.高温硬度： 切削温度上升，刀具工件的硬度都将下降，工件材料的高温硬 度如果高，则高温下，刀具材料硬度与工件材料硬度之比下降， 从而难切削。比如高温合金，耐热钢。 c.材料的加工硬化性能 加工硬化越利害，刀具切削已硬化表面，切削力增大，切削温 度增大，材料切削性能越差。比如：高锰钢，奥氏体不秀钢。 d.硬质点： 点多，分布广，切削性能差
第七章 工件材料的切削加工性
• • • • • • 1材料切削加工性的概念 2材料切削加工性的衡量指标 3材料的相对加工性 4工件材料的物理力学性能对切削加工性的影响 5常用金属材料的切削加工性 6改善切削加工性的途径
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1材料切削加工性的概念
【定义】工件材料的切削加工的难易程度。 当被切削工件难加工时，切削加工性差（低）； 反之，切削加工姓好（高）。
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刀具方面
• 车削高锰钢时，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γ o =―5°～5°，并磨 出负倒棱r1 b = 0.2 mm～0.8 mm、 γ o1 =―15°～ ―5°，以增强切削刃和改善散热条件。αo =8°～12°，主偏角κr = 45°，副偏角κr′ =10°～20°，如果工艺系统的刚性较好，主、 副偏角可选取小一些。刃倾角λs = ―30°～―5°， 如果前角为较大正值时，则刃倾角的绝对值必须 增大， λs =―20°～―30°。
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铸铁的切削加工性取决于其中的石墨数量和形态:
灰铸铁: Fe3C和其他碳化物与片状石墨的混合体,硬度与中碳 钢相近,脆性大,力为钢的45% 球墨铸铁 可锻铸铁 : 切削加工性比灰铸铁和钢都好
白可铁 (HRC52-55)
合金耐磨铸铁 (HRC62):
是目前最难加工的金属材料之一.
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3) 金属材料热处理状态和金相组织的影响 1）铁素体：它的硬度和强度很低（HB50～90，σb=190～ 250MPa）、塑性和韧性高（&=40～50％），切削时易产生积 屑瘤，切削加工性较差。 2）珠光体：这种金相组织的材料，切削加工性好，如45号钢。 3）渗碳体：硬度高，但很脆，切削易崩边，切削加工性差。 4）奥氏体：它的硬度不高（HB200左右），但塑性和韧性很高， 加工表面硬化严重，切削加工性很差。如高温合金、1Cr18Ni9Ti 等。 5）马氏体：淬火钢属于这类金相组织。它的硬度高、脆大，其 切削加工性为45号钢的1/3～1/10。切削加工性差。
韧性和塑性小，刀与屑接触长度小，切削力和热集中在刀刃，
刀具磨损快。
结论：韧性和塑性过大和过小，切削性能都差。 可以采用硬化和热处理来降低塑性，比如冷拔。
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4）.导热性
材料的导热性越好,越好加工.
注意：导热系数高的材料，加工过程中温升过快，容易引 起加工尺寸变化
5）.弹性模量
弹性模量大，表示材料在外力作用下不易产生弹性变形。 弹性模量小的材料在切削过程中，弹性恢复大，且与刀 具摩擦大，切削也困难。 如软橡胶的弹性模量为2～4MPa，45号钢E=200000MPa， 可见橡胶难加工。
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2材料切削加工性的衡量指标
通常有四种标志方法 • 刀具耐用度T • （1）相同耐用度，比较允许切削速度 • （2）相同切削条件，比较刀具耐用度 • （3）相同切削条件，磨钝前切削的金属体积 • 最常用的是VT，即保证刀具一定耐用度所允许的 切削速度，它指刀具的耐用度为T（分钟，秒）时 允许的切削速度。VT越高，切削加工性越好。 • 一般材料取T=60分钟，VT写作V60，对难切削材料， 可取为V30,V15
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不锈钢的切削加工性
• 不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 械性能和工艺性能较差，一般适用于受力 不大的耐酸结构和抗氧化钢。铁素体不锈 钢是不锈钢中切削加工性最高的一种。
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• 高锰钢切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 180HBS～220HBS 提高到450HBS～500HBS。 见下面表。 • 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20×10−6℃，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。24
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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，高的室温硬度和强度是影 响切削加工性的主要因素。高强度钢的高 硬组织在切削时，使切削刃的应力增大， 切削温度升高，刀具磨损加剧。 • 高强度钢在退火状态下比较容易切削。
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• 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 几个方面的问题： ①切削速度应是普通结构钢的1/8～1/2，当材料强度σ b =1.47GPa～1.666GPa 时，切削速度v=40 m/min～65m/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 ； ② 应充分冷却，使用硬质合金刀具时不宜使用水溶性切削液， 以免切削刃承受较大的热冲击，引起崩刃； ③ 为避免引起振动，要求工艺系统有足够的刚性，刀具的悬伸 量应尽量小； ④ 要选择耐磨、强度高、耐热冲击的刀具材料。选用高速钢时， 应选用高温硬度高的高钒高钴高速钢；或者为了减少崩刃，选用 碳化物细小均匀的钼系高速钢； ⑤ 为了防止崩刃，增强切削刃，前角应选小值或选负值，切削 刃的粗糙度应该很小，切削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； ⑥ 用高速钢刀具时，切削速度很低，一般v=3 m/min~10m/min； • ⑦荒车及粗车一般应在退火状态下进行，同时要注意断屑问题。
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切削用量方面
• 切削高锰钢时，切削速度不宜太高，一般取v=20 m/min～40m/min， • 由于加工硬化严重，进给量和切削深度不宜过小， 以免切削刃在硬化层中切削。 • 一般f = 0.2 mm/r~0.8mm/r；背吃刀量在粗车时a p =3 mm~6mm，半精车时 a p =1 mm~3mm。 • 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7～10 倍，表面粗糙度值可 大为减小。
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4.影响工件材料切削加工性的因素
2）强度 a.常温强度 一般而言，强度高，难切削
b.高温强度
案例：合金钢、不秀钢常温强度和碳素钢相差不大，但高 温强度比较大，所以加工性低于碳素钢。
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4.影响工件材料切削加工性的因素
3） 韧性和塑性
韧性(冲击值αK)和塑性（延伸率δ）大的材料，在切削加工时的
切削阻力、切削变形和产生的切削热量就大，其切削加工性也 较差。前者是吸收塑性变形功大，后者是塑性变形区域大。
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5、常用材料的切削加工性
• 1).碳素钢 • 低碳钢(<0.25%) ：性软而韧。粗加工时不易断屑 而影响操作过程，精加工时因切屑脱离母体时使已 加工表面发生严重撕扯而产生大量细裂纹（鳞刺）， 又因易形成积屑瘤而严重影响精加工质量，故切削 加工性较差；可通过正火处理使晶粒细化、硬度增 加、韧度下降，便于切削加工。 • 中碳钢（0.3%～0.6%）：有较好的综合性能，其切 削加工性较好； • 高碳钢（0.6%～0.8%）：切削加工性次于中碳钢； • （>0.8%）：性硬而脆，切削时刀具 易磨损，故其切削加工性不好。 可通过球化退火 来改善其切削加工性。
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6) 金属材料化学成分的影响 1.碳 C 2.锰 Mn 3.硅 Si 4.铬 Cr 5.镍 Ni 6.钼 Mo 7.铅 Pb * 8.硫 S * 0
Mo
Si Cr C
有利于加工方向
S P
Pb
%
Mn
9.磷 P *
不利于加工方向
Ni
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• • • • • • • • •
碳（C）；材料含碳量增加，其硬度和强度相应增大。含碳量适中（如45号钢）， 其切削加工性好。材料含碳量低，切削加工性也变差。 镍（Ni）：Ni能提高材料的耐热性，但材料的导热系数明显下降。当镍大于8％时， 形成奥氏体钢，致使加工硬化严重。 钒（V）：随着材料含钒量的增加，使材料的磨削性能变差。 钼（Mo）：钼能提高材料的强度和韧性，但材料的导热系数下降。 钨（W）：能提高材料的高温强度和常温强度，但使材料的导热系数明显下降。 锰（Mn）：锰能提高材料的硬度与强度，但使材料的韧性略降低。当锰大于1.5％ 时，材料的切削加工性将变差。 硅（Si）：使材料的导热系数下降。 钛（Ti）：钛是易于形成碳化物的元素，其加工性也差。 还有Cr、O、S、P、N、Pb、Cu、Al等元素，都对材料的切削加工性能有影响。