金属材料切削加工性.doc

第一章 金属材料切削加工性切削加工性：Machinability，指金属材料被切削加工成合格零件的难易程度。例如：以车削45#钢为例：材料硬度 HB200（正火）单位切削力 c=200kg/mm2用YT15车刀车削： IT8 1.6 c=120 =800C此种车削方法家喻户晓，人人皆知，谁都会做，没什么难点。1. 铝合金，这是比较好加工的，c=70， c=800m/min时，也不高，T很长。2. 灰口铸铁HT200 c=114 断屑切削加工性评价指标： 刀具耐用度高； T 许用切削速度高； c 已加工表面易于达到； 1.6 车削时断屑； 切削力小，切削温度低。 Fc 3. 45#淬火 HRC50切削力Fc大，切削温度高，刀具耐用度T低。一般情况下不车，只能磨削。 IT8 0.811 衡量切削加工性指标以车削45#钢(HB200)为参照基准：刀具材料：YT15；刀具耐用度：T=60min；60j=100m/min；当切削LY12 60=300m/min相比一、称相对加工性相对加工性比较表被加工材料r相对加工性45#（正火）1铝合金3钛合金0.5高温合金0.5二、衡量指标：1. 刀具耐用度T：T较长，加工性较好。例：45#钢 T=60min 30CrMnSiA T=20min 加工性差。2. 切削速度c：例：45#钢 c=100m/min YT15LY12 c=300m/min YG15 加工性好。泰勒公式： 切削速度是根据刀具耐用度确定的。一定刀具耐用度下有一个允许的切削速度T。3. 切削力Fc（或者c）凡切削力大者，加工性差。单位切削力c比较被加工材料c(kg/mm2)45#钢200HT200114铝合金784. 切削温度()凡是切削温度高者，加工性差。切削温度比较表被加工材料切削温度(C)45#钢630HT2005001Cr18Ni9Ti860GH131900条件： c=60m/min ap=3 f=0.1 见图（一）C12001000 900 1 2 3900 (100,800)800 860700 630 4600 500 400 500 300 200 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 c m/min图（一）1GH131 21Cr18Ni9Ti 345#钢（正火） 4HT200YT1545# YG8GH131 1Cr18Ni9Ti HT200o=15 0=8 r=75 s=0 =0.2 ap=3 f=0.15. 已加工表面质量：包括：表面粗糙度 1.6表面残余应力加工硬化程度及深度 时 ctgc=0 Ra(m)f决定Ra。 80Cr12Ni12Mo c=60 f= 6ap=0.5 4 2 0 0.1 0.2 0.3 f 残余应力：在没有外力作用的情况下，物体内部保持平衡而存在的应力。产生的原因有：热塑变形效应，里层金属弹性的恢复，表层金属在切削热的作用下发生相变。 + kg/mm2 残余应力 15 10 5 0 - 0.5 1 1.5 2 mm -5 距表面深度 车削 c=32m/min 加工硬化程度及深度冷硬层的硬度为材料的2倍；深度为：0.120.246. 断屑：f0.2时 (c=100) 车削45#钢断屑。7. 还可以用加工费用和加工时间对比。12 工件材料对加工性的影响一、金属材料的化学成份对加工性的影响1. 碳C10#钢为低碳钢，含C0.1%，韧性好，难断屑。采用正火方法，提高其硬度。45#钢为中碳钢，含C0.45%，综合性能好，易切，硬度HB200。80#钢为高碳钢，含C0.8%，含Fe3C多，材料硬，刀具磨损严重。加工前采用退火处理，使其软些。2. 铬Cr在铁素体中固溶；形成CrC；HB和b提高。3. 镍Ni在铁素体中固溶；b，提高，导热系数下降。当Ni8%时，变为奥氏体钢，加工硬化严重，切削加工性变差。4. 锰Mn随着Mn含量增加，HB，b增大，延伸率下降。当Mn1.5%时，加工性差。也就是高锰钢。5. 钒 形成vc，细化晶粒，HB ，当时，加工性差。6. 钼Mo形成MoC, HB, (), Mo0.5%时，r。7. 硅Si在铁素体中固溶HB, (), , SiO2加剧刀具磨损。8. 其它：MnS非金属夹杂物，呈微粒均匀分布，塑性好，有润滑作用。铅Pb单相微粒均匀分布，破坏铁素体连续性，有润滑作用。相对加工性计算公式：r=1.57(1.6)0.7C0.15Mn0.1Si0.1Ni0.06Cr0.06Mo例子：30CrMnSiMoVr=1.570.70.40.1510.11.40.061.40.060.5=0.9二、热处理状态和金相组织对r的影响：1. 铁素体：80HBS b=29kg/mm2C溶解于Fe中为固溶体。723C溶解量最高为0.02%，接近纯铁，韧性好，(=50%)难断屑。2. 珠光体（正火）：HBS260 b=128 =20%由铁素体和Fe3C层片交替组成。是铁素体和Fe3C的共析物。3. 索氏体和屈氏体（调质）铁素体和Fe3C混合物。比珠光体细。450600C回火索氏体300450C回火托氏体4. 马氏体 (HRC50) 淬火C在Fe中的过饱和固溶体。奥氏体急冷形成马氏体。100250C回火获针状马氏体。760HBS b=206 =2.8%5. 奥氏体C在Fe中的固溶体。含 (NiCrMn) 在常温下形成。碳钢在高温下 (727C) 奥氏体稳定。220HBS b=103 =50%三、材料力学性能和物理性能材料的化学成分和热处理方法决定了材料的力学性能。例如：45#钢正火 HBS200 b=60kg/mm2调质 HRC30 b=75淬火 HRC50 b=14020#钢 b=3.6HBS45#钢 b=3.4HBS80#钢 b=3.25HBS1. 硬度 (160200HBS) 强度HBr淬火钢 (HRC50) 为难加工2. 塑性塑性材料随着延伸率增大，需要的变形能增大；且加工硬化严重，切削力Fc增大，切削温度升高，刀具磨损严重。例：45#钢 =16% 1Cr18Ni9Ti =50% 难加工材料固溶强化奥氏体不锈钢。3. 导热系数（物理性能）45#钢 =0.12cal/cmsc凡是导热差的材料，切削热散不出去，由刀具导热，使切削区温度升高，加工性变差。例如：YL12，HT60 散热快r=3 1Cr18Ni9Ti，TC4，GH135r=0.5 =(1/31/5) 45#()第二章 钛合金切削加工21 钛合金的分类及力学性能一、钛合金分类：钛是同素异构体。是Ti是低温稳定结构，呈密排六方晶格；Ti是高温稳定结构，呈体心立方晶格；882C为同素异构转变温度。在这两种组织中加入各种不同原素，室温下获得三种基本组织：1. 钛合金相固溶体组成的单相合金。500600 C保持强度；抗蠕变能力强；抗氧化能力强；不能热处理强化。TA85Al2.5Sn3Cu1.5Zr2. 钛合金相固溶体组成的单相合金。淬火时效强化可达167kg/mm2；热稳定性差。TB2：5Mo5V8Cr3Al3. +钛合金和两相组成，为主，0.05车床走刀量最小为f=0.08，走刀量范围较窄f=0.10.3。五、切削深度ap的选择钛合金价格昂贵，锻造毛坯要精，切削深度最大也就是：ap=3牌号ISOHRAbb kg/mm2YG3XYG6AK01K1091.592110140YG6XYG8K10K309189140150YG8YG813K25K209291200160YG643YG10HTK05K309392150220YL10.2YS2TK35K30HV160091.5220180YD15Y310K01K0591.592170125Y320Y330K20K3091.590.3180200YM051K1092.5160表26 加工钛合金优选刀具材料磨钝标准 mm切削速度 c m/min刀具耐用度 T min0.250140300.33550600.52035900.6n时，才能形成切屑，粘刀现象十分严重。顺铣：与同向。开始：hD=fz刀齿与加工表面间无滑擦。避免了加工硬化，减轻刀具磨损。切出时，hD=0已加工表面光洁度高，使粘刀现象大大减轻。因此，加工钛合金，采用顺铣，不使用逆铣。2. 端铣：分为：对称铣，不对称顺铣和逆铣。 d0 端铣刀中心移动轨迹 e 工件中心线e端铣刀与工件轴心线偏移量不对称顺铣可减少粘刀。e=413 T=160 YG6X c=78四、铣削用量：见表28整体硬质合金或机夹不重磨刀片铣削要素端铣立铣Ra粗铣c m/min40506.3fz0.10.20.050.1ae0.6d014ap1420精铣c1001001.6fz0.050.04ae0.6d00.4ap0.520表28 YG(K)干切削注：d0端铣刀外径1. 钛合金：99.5% c=130最高速度 fz=0.030.22. + c=90 fz=0.030.23. 钛合金 c=50 fz=0.030.2 立铣刀切削速度略低于端铣刀。26 钛合金钻削一、钻头材料的选择1. 不合适，作钻头材料。作中心钻材料还可以，因c低。2. M42铝高速钢可做钻头材料。3. 最合适的钻头材料是YG8。二、钻头几何参数1. 钻头后角要大些=20，解决钛合金反弹2. 横刃要短，要尖。降低轴向力Fx。3. 顶角要大2=140，增加主刀刃的长度。4. 强化刀尖，一旦刀尖磨损，钻头无法工作，修磨前刀面0=10，三、钻削用量1. 高速钢钻头 c=10m/min f=0.12. YG8 c=30m/min f=0.13. 用机油冷却润滑，lf短，c低，润滑作用可进行。第三章 高温合金的切削加工高温合金又称耐热合金，热强合金，在6001000C的高温和燃气腐蚀条件下工作，具有很高的热稳定性能和热疲劳性能，是航空、航天工业使用的材料。31 概述一、高温合金分类以含Ni量化分为：含Ni50%为镍基高温合金，牌号有GH4169（其中4表示镍基）。还可分为2种：变形高温合金和铸造高温合金。采用固溶强化和沉淀强化使合金获得良好的高温合金性能。铸造高温合金塑性很小。=5%左右。一般采用真空精密铸造成型，强化手段与变形高温合金相同。二、高温合金的化学成份及力学性能1. GH2135化学成份 C0.08 Cr1416 Ni3336 Ti2.12.5 1.72.2 Mo1.72.2 Al22.8 P.S0.02 余为Fe2. 工作温度700C以下，制造涡轮盘。3. 导热率：10.9 45# 4. 力学性能：b=120kg/mm2 =25% HB320 ak=290KJ/m2 高温性能(750C) b=75kg/mm25. 锻造始温1120C（开坯温度） 终温900C6. 氩弧焊接（板材）7. 1140C固溶处理。空冷。牌号成份温度Cbkg/mm20.2kg/mm2%kGH135 Cr15Ni34.5Ti2.3Al2.42075012075.575.567.7252710.922.4GH132Cr15Ni25.5Ti2Mo1.3VSiMnB2065088741520GH136Cr14.5Ni26.5Ti2.8Mo1.3MnVSiB20700936871513.923GH36Cr12.5Ni8 Mn 8.5Mo1.25V1.5SiTiNbN2080097.139.267.736.322171727GH901Cr12.5Ni42.5Ti3Mo5SiMnAlAgCoBPb2075012878.59273.621181427表31 铁基高温合金性能 GH2135 2铁基牌号成份温度Cbkg/mm20.2kg/mm2%kGH169 Cr19TiMo3Nb5SiMnB20700140100151214.6GH33ACr20.5Ti2.8Al1Nb1.4SiMnAsSbBPbCu20900110512817GH49Cr10Ti2Al4MoCo1.5SiMnVBPb2095011854112910.428GH698Cr14.5Ti2.6Al1.5Mo3Nb2SiMnBCe2080011574.678.56225101020GH37Cr14.5Ti2Al2Mo3SiMnCeVBCu20900110511630822表32 镍基(Ni50)高温合金性能 GH4169 4镍牌号成份温度Cbkg/mm20.2kg/mm2%kK136Cr14.5Ni25.5Ti2.8M1.320800884463381219K13Cr15Ni36Ti3.5Al1.8208009264754610.920.5K1Cr15.5Ni50Al5 Ti1.72095093493223.5K4Cr12Ni50Mo2Al4.8Ti4Co1120900987842.411.720.5K15Cr8.5Mo4.8Al4.4Ti3.7Ni5020100010654914169表33 铸造高温合金三、高温合金的成份1. 高熔点合金元素（1700C熔化的元素、Mo、Ta、Nb、Zr）组成的致密奥氏体。2. 沉淀硬化相呈弥散分布。3. 导热性差，k=10.94. 存在大量碳化物(TiC、TaC、NbC)和Ni3(相)5. 高温下保持强度。GH2135 750C时：b=76kg/mm2四、难加工表现为：1. 切削变形系数h大因延伸率(=25%)大，塑性变形大，需要的变形能大。GH2135变形系数相当于45#钢的2倍。（45#钢h=23）。2. 加工硬化严重切削时，切屑沿剪切面进行剪切滑移，晶格严重扭曲；高温下，奥氏体转变为马氏体；强化相（相）呈弥散分布；加工后，已加工表面硬度提高，塑性下降。硬度为基体的25倍。3. 切削力大切削力理论公式：Fc=sapf(1.4h+C)切削高温合金切削力比切45#钢大1倍。原因是：高温合金强度大，高温时(700C)强度也大。从公式也可以看出：剪切屈服强度大，变形系数h大 ，切削力也就大。经验公式：Fc=5600vc-0.15f0.7ap0.8(N)单位切削力 c=400kg/mm24. 切削温度高高温合金强度(b)高，塑性变形大(h)，切削力大，导热性能差，因此切削温度高。GH2135比45#钢切削温度高300C。例子：c=100m/min f=0.15mm/r ap=2mm 0=12 0=8 r=75材料45#钢GH132GH36TC4温度C52088081010005. 刀具磨损严重 加工硬化严重，加剧刀具磨损； 材料中各种碳化物和相加剧刀具的磨料磨损； 各种元素的亲和作用加剧刀具粘结磨损； 切削温度升高时，W、Co、Ti等元素向工件和切屑中扩散造成扩散磨损； 氧(O)氮(N)氢(H)元素易使刀具表面生成相间脆性相加剧边界磨损。 表面质量和精度难于保证因导热性能差，使切削温度高。工件受热变形，精度难于控制。6. 车削时，难于断屑，尤其是粗加工。32 刀具材料及几何参数选择一、刀具材料选择：1. 刀具材料分为三类YG类 YG8 YT类 YT15高速钢 加工高温合金，因其含有Ti，不易选择YT类刀具，只能选用YG类刀具。高温合金导热性能差，YG类刀具导热性好，这又是选择YG类刀具的一个条件。随着切削加工技术的发展，刀具材料越来越多。但归结起来，有两条改进途径。一是添加TaC和NbC，提高刀具的红硬性；二是细化晶粒，提高刀具硬度的同时，提高刀具抗弯强度。作出的刀既硬又韧性好，才能满足切削高温合金的要求。目前发展的方向是：同等一种被加工材料，研制加工它的刀具材料。2. 刀具材料要具备的性能 红硬性。加工高温合金，切削温度高。但此时高温合金强度下降不多。利用高温使被加工材料软化的目的办不到。因此，对刀具材料提出红硬性的要求。所谓红硬性：就是在高温时(600C)刀具材料的硬度。 抗弯强度。高温合金切削力大，要求刀具材料韧性好，解决切削时崩刃相径。 导热性要好。因高温合金导热性差，切削区温度要靠刀具传导出去。 耐磨性这是刀具材料的综合性能。一要硬，二要韧，三要抗氧化，多种因素决定它的耐磨性。3. 选择： YG6X YD15 643 813 YG10HT有材料报道：813成功地解决了高温合金切削加工。但新的刀具材料不断出现。随着纳米技术的发展，高速切削会实现的，削铁如泥的时代会到来。二、刀具角度选择1. 0选择根据被加工材料的硬度和延伸率选择HB00加工硬化严重者0GH2135 =25% 0=15左右2. 后角0根据切削厚度hD选参照前角0hD0 0保证00 0+0+0=/2因0选的较大，0=68 还是泰勒后角。3. 主偏角r=6075此时切削力Fc最小。副偏角r=10左右4. 刃倾角s 粗车取 -3精车取 +25. 刀尖圆弧半径主要原因是强化刀尖，降低切削温度。=12(mm)刀具标注角度 刃 0.2 10=0 S向 8=0 10=r r=70 S向 刀尖 f s=+2说明：强化刀尖：=12强化刀刃：0=0宽度0.2具体加工情况去查手册。33 切削用量确定一、粗车外圆：外圆车刀选用焊接式，因切削力大，机夹式易刀。1. 切削速度(c)保证刀具耐用度T=90min条件下，确立切削速度T。例如：荒车外圆。第一刀必须把毛坯车圆，防止间断切削，刀尖在软层。此时无论ap多大，都应该这样做。例如：ap=4 f=0.5mm/r T=90min c=10m/min2. 切削温度(ap)在机床动力足够的条件下，工件刚度足够，采用大切削深，提高加工效率。3. 进给量f粗车采用大走刀量，也是提高加工效率。另一方面，大的走刀量可以断屑。4. 断屑问题粗加工的效率在断屑，保证断屑的前提就是大的走刀量。第二就是断屑槽，其次是切削深度ap，最后依据T确定c。二、细车粗车的目的是去毛坯所给余量，尺寸精度和光洁度要求低。f大、ap大、切削速度c低、刀具耐用度要长。而细加工，要达到低要求的尺寸精度和光洁度。因此，要符合考虑c、f、ap。1. 切削深度ap工艺事先预留 ap=12mm2. 进给量f=(0.20.4)mm/r3. 切削速度c=(3040)m/min 刀具 YG6三、精车高温合金很少采用磨削，多为车削加工。1. c=(5080)m/min 为达到表面光洁度，必须采用高速。2. f=0.1或更小提高光洁度的重要因素。3. 切削深度ap=0.51这个量主要由工艺来确定。四、镗孔在涡轮盘加工中，有很多孔需要镗削。由于孔径限制了切削速度。当d比较小时，c很低。因此采用低速切削时，使用M42刀具材料加机油冷却润滑，可镗出IT6的孔、粗糙度可达 0.8 。硬质合金刀具钝圆半径大，hD=0.01时，切不下切屑。因此精镗孔使用高速钢。第四章 超高强度钢切削加工41 概述超高强度钢是含有一定合金量的结构钢。用来制造飞机起落架零件和重要的大梁和框，其原始状态，强度、硬度并不高。经热处理后，获得较高的强度（b=150kg/mm2）和硬度HRC3050。一般加工工艺这样安排：调质前进行粗加工，去除余量。调质、淬火后进行细加工和精加工。调质后为索氏体和托氏体，加工难度大；淬火后为马氏体，硬度可达HRC55，属淬火钢加工，难道更大。b140kg/mm2 超高强度钢s120kg/mm2一、30CrMnSiNi2A化学成分及力学性能1. 含碳量：C 0.45%为中碳钢，加工性能最好。C 0.1% 为低碳钢，韧性好，加工时难断屑。C 0.6% 为高碳钢，硬度高，加工时刀具磨损严重。2. Ni 含Ni8%时，形成奥氏体钢，加工硬化严重，切削加工性差。3. Cr 提高抗蚀性，降低钢的韧性，可获得较好的光洁度。4. Mn 提高钢的强度，Mn1%时，切削加工性变差，加剧刀具磨损。5. Si 提高钢的硬度，形成SiO2，加剧刀具磨损。在30CrMnSiA的基础上添加2%Ni。提高了钢的淬透性：水淬100，油淬80；提高了钢的冲击韧性：30CrMnSiA ak=39J/cm2；30CrMnSiNi2A ak=69J/cm2。6. 力学性能淬火后金相组织为：奥氏体和马氏体。奥氏体是C在-Fe中的固溶体；马氏体是奥氏体的非扩散转变产物，碳在-Fe中的超结构固溶体。b=176kg/mm2 s=10% HRC50 ak=69J/cm2 s=153kg/mm230CrMnSiA 参考数值 高强度钢b=108kg/mm2 =10% ak=39J/cm2 HRC50 s=89kg/mm2二、40CrMnSiMoVA（Gc4）1. 化学成分：含C 0.4%、Cr 1%、Mn 1%、Si 1%、Mo 1%、V 0.1%。(无Ni)2. 强度：920C油淬 200300C回火。达到：b=(1802