工件材料的切削加工性

第一节工件材料的切削加工性材料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。衡量切削加工性的指标切削加工性的指标可以用刀具使用寿命、一定寿命的切削速度、切削力、切削温度、已加工表面质量以及断屑的难易程度等衡量。某种材料切削加工性的好坏，是相对另一种材料而言的。因此，切削加工性是具有相对性的。一般以切削正火状态45钢的v60作为基准，其它材料与其比较，用相对加工性指标Kr表示：（3_］）式中,v60——某种材料其刀具使用寿命为60min时的切削速度；（v60）j——削45钢，刀具使用寿命为60min时的切削速度。二。影响材料切削加工性的主要因素影响材料切削加工性的主要因素有材料的物理力学性能、化学成分和金相组织等。三。难加工材料的切削加工性（一） 、高锰钢的切削加工性高锰钢加工硬化严重，塑性变形会使奥氏体组织变为细晶粒的马氏体组织，硬度急剧增加，造成切削困难。高锰钢热导率低，仅为45钢的1/4，切削温度高，刀具易磨损，高锰钢韧度大，约为45钢的8倍，其伸长率也大，变性严重，导致切削力增加，并且不易断屑。（二） 不锈钢的切削加工性奥氏体不锈钢中的铬、镍含量较大，铬能提高不锈钢的强度及韧性，但使加工硬化严重，易粘刀。不锈钢切屑与前刀面结出长度较短，刀尖附近应力较大，经计算刀尖所收的应力为切削碳钢的1.3倍，造成刀尖易产生塑性变形或崩刀。奥氏体不锈钢导热性差，切削温度高。另外，锯齿形切屑并不因速度增高而有所改变，所以切削波动大，易产生振动，使刀具破损。断屑问题也是不锈钢车削中的突出问题。车削不锈钢时，多采用韧性好的YG类硬质合金刀片，选择较大的前角和小的主偏角；较低的切削速度，较大的进给量和背吃刀量。四、改善材料切削加工性的基本方法1．在材料中适当添加化学元素???在钢材中添加适量的硫、铅等元素，能够破坏铁素体的连续性，降低材料的塑性，使切削轻快，切屑容易折断，大大地改善材料的切削加工性。在铸铁中加入合金元素铝、铜等能分解出石墨元素，利于切削。2．采用适当的热处理方法???例如，正火处理可以提高低碳钢的硬度，降低其塑性，以减少切削时的塑性变形，改善加工表面质量；球化退火可使高碳钢中的片状或网状渗碳体转化为球状，降低钢的硬度；对于铸铁可采用退火来消除白口组织和硬皮，降低表层硬度，改善其切削加工性。3．采用新的切削加工技术???采用加热切削、低温切削、振动切削等新的加工方法，可以有效地解决一些难加工材料的切削问题。第二节刀具材料刀具材料应具备的性能高的硬度 刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，常温硬度须在60HRC以上。高的耐磨性刀具材料应有好的抵抗磨损的能力。取决于材料的力学性能、化学成分和组织结构。足够的强度和韧性 以抵抗冲击及振动。强度用抗弯强度表示，韧性用冲击韧度表示。高的耐热性 在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。用温度或高温硬度表示。良好的导热性和工艺性 导热系数越大，有利提高刀具使用寿命；线膨胀系数小，则可减小热变形；为了便于制造须有较好的可加工性，即切削加工性、可磨削性、热处理等。高速钢（一） 普通高速钢普通高速钢的工艺型好，切削性能可满足一般工程材料的常规加工，常用品种有：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W14CrVMnRE和W9Mo3Cr4V。W18Cr4V属钨系高速钢，其高温硬度约与钨钼系高速钢相当，但在高温下韧性不及钨钼系。钨钼系高速钢^6Mo5Cr4V2中所含Mo元素可使碳化物均匀，但含V较多，磨削性能差，目前我国主要用于热轧刀具。（二） 高性能高速钢钻高速钢 典型钢种是W2Mo9Cr4VCo8（M42），它的特点是综合性能好，硬度高（70HRC），高温硬度在同类钢中居于前列，可磨削性好，适合于切削高温合金，但价格很贵。铝高速钢铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al，是我国独创的新型高速钢，具有良好的综合性能，其高温硬度、抗弯强度、冲击韧度均与W2Mo9Cr4VCo8相当，价格低廉。但其可磨削性差、热处理工艺要求较严格。高钒高速钢 其牌号有W6Mo5Cr4V3,由于炭化钒量的增加，从而提高了钢的耐磨性，一般用于切削高强度钢。但其刃磨性能比普通高速钢差。选用高速钢时的一般原则如下。（1） 切削一般材料时可用普通高速钢,其中以W18Cr4V用得最多oW6Mo5Cr4V2主要用于热轧刀具，W14Cr4VMnRE其韧性最高，可作热轧刀具。（2） 如工艺系统刚性好，切削难加工材料时，简单刀具可用高钒、高钻高速钢。复杂刀具可用钨钼系低钻高速钢。（三） 涂层高速钢高速钢刀具的表面涂层是采用PVD（物理气相沉积法）技术，在真空、工艺处理温度500°C的环境条件下，在刀具表面涂覆TiN、TiC、TiCN等硬膜（2~5“m），以提高刀具性能的新工艺。目前，已在形状复杂的钻头、丝锥、成形铣刀及齿轮刀具上广泛应用。硬质合金硬质合金是由金属碳化物粉末和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。硬质合金是当今最主要的刀具材料之一。绝大部分车刀、端铣刀和部分立铣刀、深孔钻、铰刀等均已采用硬质合金制造。由于硬质合制制造工艺性差，它用于复杂刀具尚受到很大限制。硬质合金的硬度在89~94HRA，相当于71~76HRC，耐磨性好，耐热性可达800~1000°C。因此，硬质合金比高速钢的切削速度高4~10倍。刀具使用寿命可提高几十倍，但其抗弯强度低、韧性差、怕冲击和振动。常用的硬质合金可分为四类：1钨钻类（WC+Co）YG 常用牌号有YG3、YG6、YG8等,YG类硬质合金与钢的粘结温度较低，其抗弯强度与韧性比YT类高，主要用于切削铸铁和有色金属及其合金，以及非金属材料和含Ti元素的不锈钢等工件材料。牌号中的数字为钻的百分含量，合金中钻的含量越高，韧性越好，适于粗加工，钻含量少的适用于精加工。钨钛钻类（WC+TiC+Co）YT其硬质相除WC外还有TiC,粘结相为Co。常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30。YT类硬质合金有较高的耐热性、较好的抗粘结、抗氧化能力。主要用于切削各种钢件，但不适宜切削含Ti元素的不锈钢。因为两者的Ti元素之间的亲和作用，从而加剧刀具磨损。牌号中的数字为TiC的百分含量，合金中含TiC量较多者，含Co量就少，耐磨性、耐热性就更好，适合精加工。但TiC量多，则导热性变差，焊接与刃磨时易产生裂纹。含TiC量较少者，适合粗加工。钨钽（铌）钻类（WO+TaC（NbC）+Co）YA这类硬质合金具有较高的硬度和耐磨性，同时能细化晶粒，可提高高温硬度、高温强度和抗氧化能力。适于切削冷硬铸铁、有色金属及其合金。钨钛钽（锯）钻类（WC+TiC+TaC（NbC）+Co）YW这类硬质合金是在YT类中添加TaC（NbC）而成，加入适量TaC（NbC）后，可提高抗弯强度和韧性，同时也提高了耐热性和高温硬度。由于它能用来切削钢或铸铁故又称通用合金。硬质合金牌号的选择，主要根据工件材料和切削加工的类型。硬质合金含钻量越多，其强度也越高，但高温硬度、耐磨性和抗热变形的能力却越低。若碳化钛含量越高，则耐磨性、高温硬度和抗热变形的能力越高，但强度却越低，碳化钽的含量越高，硬质合金的高温硬度抗热变形能力以及抗月牙洼磨损的能力越高。其他刀具材料（一）陶瓷陶瓷有很高的硬度和耐磨性，耐热性可达1200°C°C以上，常温硬度达91~95HRA，化学稳定性好，但最大弱点是抗弯强度低，韧性差。目前主要有复合氧化铝陶瓷和复合氮化硅陶瓷二种。是一种极其有发展前途的刀具材料。（二）金刚石金刚石分天然和人造两种，金刚石刀具既能胜任陶瓷、硬质合金等高硬度非金属材料的切削加工，又可切削其它有色金属及其合金，使用寿命极高。但不适合切削铁族材料，因金刚石与铁元素有很强的亲和力。它的热稳定性差，当切削温度达到00°C时即碳化（形成CO2）而失去其硬度。（三）立方氮化硼（CBN）立方氮化硼是继人造金刚石之后出现的又一种超硬材料。它的特点是：硬度仅次于人造金刚石(8000~9000HV),耐磨性好、热稳定性高，可耐1300~1500°C的高温。此外，具有良好的导热性和较低的摩擦系数。立方氮化硼刀具能以加工普通钢和铸铁的切削速度切削淬硬钢、冷硬铁、高温合金等，从而大大提高生产率。当精车淬硬零件时，其加工精度与表面质量足以代替磨削。第三节切削液(一)切削液的作用1.冷却作用切削液能够降低切削温度，从而可以提高刀具使用寿命和加工质量。切削液冷却性能的好坏，取决于它的导热系数、比热容、气化热、流量与流速等。一般水溶液的冷却作用较好，油类最差。2•润滑作用金属切削时切屑、工件和刀具间的摩擦可分干摩擦、流体润滑摩擦和边界润滑摩擦三类。当形成流体润滑摩擦时，才能有较好的润滑效果。金属切削过程大部分属于边界润滑摩擦。所谓边界润滑摩擦，是指流体油膜由于受较高载荷而遭受部分破坏，是金属表面局部接触的摩擦方式。切削液的润滑性能与切削液的渗透性，形成润滑膜的能力及润滑膜的强度有着密切关系。若加入油性添加剂，如动物油、植物油可加快切削液渗透到金属切削区的速度，从而可减少摩擦。若在切削液中添加一些极压添加剂，如含有S、P、Cl等的有机化合物，这些化合物高温时与金属表面起化学反应，生成化学吸附膜，可防止在极压润滑状态下刀具、工件、切屑之间的接触面的直接接触，从而减小摩擦，达到润滑的目的。3.清洗预防锈作用切削液可以消除切屑，防止划伤已加工表面和机床导轨面。清洗性能取决于切削液的流动性和压力。在切削液中加入防锈添加剂后，能在金属表面形成保护膜，起到防锈作用。二、切削液的种类及选用切削液的种类和选用见表3-3所示表3-3切削液种类和选用序号名称组成主要用途1水溶液以硝酸钠、碳酸钠等溶于水的溶液，用100~200倍的水稀释而成磨削2乳化液(1)少量矿物油，主要为表面活性剂的乳化油，用40~80倍的水稀释而成，冷却和清洗性能好车削、钻孔(2)以矿物油为主，少量表面活性剂的乳化油，用10~20倍的水稀释而成，冷却和清洗性能好车削、攻螺纹(3)在乳化液中加入极压添加剂高速车削、钻削3切削油(1)矿物油(L-AN15或L-AN32全损耗系统用油)单独使用滚齿、插齿(2)矿物油加植物油或动物油形成混合油，润滑精密螺纹车削

性能好（3）性能好（3）矿物油或混合油中加入极压添加剂形成极压油高速滚齿、插齿、车螺纹液态的CO2主要用于冷却二硫化钼+硬脂酸+石蜡做成蜡笔，涂于刀具表面攻螺纹其它切削液应根据工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求进行选用。对硬质合金刀具一般不用切削液，若要使用，必须连续、充分地供应，否则因聚冷聚热，导致刀片产生裂纹。切削铸铁一般也不用切削液。切削铜、铝合金和有色金属时，一般不用含硫的切削液，以免腐蚀工件表面。第四节刀具合理几何参数的选择前角的功用及选择2.前角的功用增大前角能减小切屑变形和摩擦，降低切削力、切削温度，减小刀具磨损、抑制积屑瘤和鳞刺的生成，改善加工表面质量。但是前角也不能选得过大，前角过大会削弱刀刃强度和散热能力，反而使刀具磨损加剧，刀具使用寿命下降。应有一个合理参考数值。前角的选择原则工件材料的强度、硬度低、塑性大，前角数值应取大些，可减小切屑变形，降低切削温度。加工脆性材料时，应选取较小的前角，因变形小，刀-屑接触面小。刀具材料的强度和韧性越好，应选用较大的前角。如高速钢刀具可采用较大前角。粗切时为增强刀刃强度取小值。工艺系统刚性差时，应取大值。二、后角的功用及选择后角功用增大后角能减少后刀面与过渡表面间的摩擦，还可以减小切削刃圆弧半径，使刃口锋利。但后角过大会减小刀刃强度和散热能力。后角的选择原则>后角主要根据切削层公称厚度hD选取。粗切时，进给量大，切削层公称厚度大，可取小值；精切时，进给量小，切削层公称厚度小，应取大值，可延长刀具使用寿命和提高已加工表面质量。当工艺系统刚性较差或使用有尺寸精度要求的刀具时，取较小的后角。工件材料的强度、硬度越大，后角应取小值。后角的参考值见表3-4。斜角切削与刃倾角的选择

图玉2斜角切削的速度分解圾疣屑角1.斜角切削图玉2斜角切削的速度分解圾疣屑角1.斜角切削图3-4刃倾角对刀刃强度的影响当刀具的刃倾角入s=0°时，主切削刃与切削速度方向垂直，称直角切削。若刀具的刃倾角入sHO°,其主切削刃与切削速度方向不垂直，称斜角切削。斜角切削是应用比较普遍的一种切削方式。2•斜角切削速度分解如图3-2所示，切削刃上某点的切削速度vc,可分解为垂直于切削刃的分速度vn和平行于切削刃的分速度vT，即：耳二叫•C0S划??%=-sm血?••由于有vT，使切屑流出方向发生变化。切屑流出方向在前刀面上与刀刃的法剖面之间的夹角，称流屑角屮入，如图3-2b。实验证明，流屑角屮入近似等于刃倾角，即屮入心人s。刃倾角的功用影响切屑流出方向?如图3-3所示。影响切削刃的锋利性?因实际前角较大，可进行薄切削。影响刀刃强度?如图3-4所示，负刃倾角可使刀尖避免冲击。影响背向力Fp与进给力Ff的比值？As为负值时，Fp力增大，Ff力减小，易振动。刃倾角的选择原则选择刃倾角时主要根据切削条件和系统刚性而定。精切2s=0°~+5°；粗切2s=0°~-5°。工艺系统刚性不足时，取正值刃倾角。四、主偏角和副偏角的功用及选择主偏角和副偏角的功用主偏角主要影响切削层截面的形状和几何参数，影响背向力Fp与进给力Ff的比例以及刀具的使用寿命，并和副偏角一起影响已加工表面粗糙度。如图3-5所示，在相同切削用量的条件下，主偏角越小，则背向力Fp越大，切削刃的工作长度越长。副偏角的主要作用是减少副切削刃与工件已加工表面的摩擦，减少切削振动。副偏角的大小影响工件表面残留面积的大小，进而影响已加工表面的粗糙度值。如图3-6所示，副偏角越小，则工件表面的残留面积越小，表面粗糙度Ra值越小。主偏角和副偏角的选择原则

丄残餉面积圉3-6副偏角对表面粗糙度值的影响丄残餉面积圉3-6副偏角对表面粗糙度值的影响残留面朝/<加工工艺系统的刚性不足的情况下，为了减少背向力7P，应选用较大的主偏角。如车削细长轴时，一般取Kr=90°~93°，以降低背向力Fp，减少振动。粗加工时，一般选用较大的主偏角(Kr=60°~75°),以利于减少振动，延长刀具的使用寿命。加工强度、硬度高的材料，如冷硬铸铁和淬硬钢时，如系统刚性较好，则选用较小的主偏角，以增加刀刃的工作长度，减轻单位长度切削刃上的负荷，改善刀头散热条件，延长刀具的使用寿命(Kr=10°~30。)。在不影响摩擦和不产生振动的条件下，选取较小的副偏角。外圆车刀的副偏角一般为5°~15°。第五节切削用量的选择一.选择切削用量的原则正确选用切削用量，对提高生产率，保证必要的经济性和切削加工质量均具有重要意义。切削用量与刀具使用寿命的关系为：3-3)3-3)根据实验结果，l/m〉l/n〉l/p。这说明在v、f、ap三者之中，切削速度对刀具使用寿命得影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小。另外，生产率可用单位时间内的金属切除量Qz表示。2=q叮•衍(3-4)由此可见，除提高切削速度外，也可以增大进给量f及加大背吃刀量ap来达到提高生产率的目的。当然同时还应保证刀具的使用寿命Tc(或Tp)。根据以上分析可知，选择切削用量的原则应当是：在机床、工件、刀具强度和工艺系统刚性允许的条件下，首先选择尽可能大的背吃刀量ap,其次根据加工条件和要求选用所允许的最大进给量f,最后再根据刀具的使用寿命要求选择或计算合理的切削速度。二、 切削用量的选择方法1．背吃刀量的选择背吃刀量根据加工余量来确定。切削加工一般分为粗加工、半精加工和精加工。粗加工(Ra80~20mm)时应尽量用一次走刀切除全部余量，若机床功率为中等时，ap=8~10mm。半精加工(Ra10~5mm)时，ap=0.5~2mm。精加工(Ra2.5~1.25mm)时，ap=0.1~0.4mm。当加工余量太大，或工艺系统刚性不足，或断续切削时，粗加工也不能一次选用过达的背吃刀量，应分几次走刀，不过第一次走刀的背吃刀量应取大些。2．进给量的选择粗加工时，应在机床进给机构的强度、车刀刀杆强度和刚度、刀片强度以及装夹刚度等允许的条件下，尽可能选取大的进给量，因为这时对工件粗糙度要求不高。精加工时最大进给量主要受表面粗糙度的限制，实际生产中，主要用查表法或根据经验确定。3.切削速度的确定根据选定的背吃刀量ap、进给量f和刀具使用寿命T，按式2-42计算切削速度vc,再算出机床主轴转速。实际生产中，可由查表法或经验确定。见表3-7。选择切削用量的实例工件材料：45钢正火，円=。■理G氏，锻件。工件尺寸及要求：如图3—7。使用机床:CA6140型车床。刀具:机夹外园车刀，刀片YT15，刀杆尺寸16mmX25mm。□ 心=15° =75° >1,=—6°rr=0.5mm加、丄打/十丄几何角度 ， ， ， ，四边形刀片。试选车削外圆的切削用量。选择的方法和步骤：根据工件尺寸精度和表面粗糙度要求，分粗车一半精车两道工序。1.粗车确定背吃刀量：根据工艺半精车单边余量为1mm，现单边总余量为4mm，粗车工序尽量一刀切掉，取ap=3mm。选择进给量：根据表3-5，f=0.5〜0.7取f=0.6mm/r(需与机