第7章-工件材料的切削加工性

1、1,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,2,1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）。,3,2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

2、，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,V15,4,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,5,3材料的相对加工性,【定义】被切削材料的V60与标准45钢b =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0.153.0之间。 相对加工性仅对选择切削速度有指导意义

3、 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。,6,7,4.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

4、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,8,4.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。,9,4.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K)和塑性（延伸率）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。 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。

5、 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。,10,4）.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24MPa，45号钢E=200000MPa，可见橡胶难加工。,11,6) 金属材料化学成分的影响,9.磷 P *,1.碳 C,2.锰 Mn,3.硅 Si,4.铬 Cr,5.镍 Ni,6.钼 Mo,7.铅 Pb *,8.硫 S *,12

6、,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

7、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。,13,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.,14,3) 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（HB5090，b=190250MPa）、塑性和韧性高（&=4050），切削时易产生积屑瘤，切削加工性较差。 2）珠光体：这种金相

8、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1/31/10。切削加工性差。,15,1).碳素钢 低碳钢(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。,5、常用材料的切削加工性,16,2).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。,17,3).普通铸铁：与具有

9、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。,18,4).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。,19,6.小结,a. 通过热处理改变材料的组织和机械性能,高碳

10、钢: 硬度高 加工困难 可球化退火 降低硬度 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,20,7.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 7 ) 化学性能活泼,21,什么是难切削材料？,材料的性能如硬度大于250HB，抗拉强度大于1000MPa，延伸率大于30，冲击值K大于100MPa，

11、导热系数K小于41.8W/m.k，都属于难切削材料。,22,23,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 。,24,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180HBS220HBS 提高到450HBS500HBS。见下面

12、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20106，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。,25,26,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/min40m/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/r0.8mm/r；背吃刀量在粗车时a p =3 mm6mm，半精

13、车时 a p =1 mm3mm。 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710 倍，表面粗糙度值可大为减小。,27,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 o =55，并磨出负倒棱r1 b = 0.2 mm0.8 mm、 o1 =155，以增强切削刃和改善散热条件。o =812，主偏角r = 45，副偏角r =1020，如果工艺系统的刚性较好，主、副偏角可选取小一些。刃倾角s = 305，如果前角为较大正值时，则刃倾角的绝对值必须增大， s =2030。,28,高强度钢的切削加

14、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。,29,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：切削速度应是普通结构钢的1/81/2，当材料强度 b =1.47GPa1.666GPa 时，切削速度v=40 m/min65m/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 ； 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

15、受较大的热冲击，引起崩刃； 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； 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； 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； 用高速钢刀具时，切削速度很低，一般v=3 m/min10m/min； 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。,30,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、

16、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。,31,根据不锈钢的性质和切削加工的特点，切削加工时应考虑的共同性问题是： 因为切削力大，切削温度高，所以刀具材料应选用强度高、导热性好的硬质合金； 为使切削轻快，应选用较大的前角，较小的主偏角； 为避免出现黏结现象，前刀面和后刀面应仔细研磨，以保证较小的表面粗糙度；也可用较高的切削速度或较低的切削速度； 不锈钢的切屑强韧，故应对断屑、卷屑、排屑采取相应的、可靠的

17、措施； 不锈钢的导热性能低，切削区域的温度高，加之线膨胀系数较大，容易产生热变形，精加工时容易影响尺寸精度； 工艺系统的刚性应尽可能高。,32,高温合金的切削加工性,高温合金按基体金属可分为铁基高温合金，镍基高温合金和钴基高温合金，按生产工艺及其性能和用途，可分为变形高温合金和铸造高温合金两大类。 高温合金在高温状态下(800900)有良好的热稳定性，能保持较高的强度，并且有抗热疲劳性能，被广泛地应用于飞机、航空、航天、军工和发电机造船等工业部门，用以制造燃气轮机的涡轮盘、涡轮叶片、燃烧室等高温受力零件及紧固件。,33,常用的高温合金是铁基和镍基 高温合金是难加工材料中切削加工性较差的一种，其

18、相对切削加工性低于0.2，铁基高温合金的相对加工性仅为奥氏体不锈钢的1/2 左右，而镍基合金的切削加工性更差。高温合金不但有很高的常温强度，而且有很高的高温强度，其高温强度约为45钢铁的6.5 倍(在800时)。其抵抗塑性变形能力强，加工硬化严重，塑性变形大，加工时切削力较大。高温合金的导热系数很小，切削区域平均温度很高，可达7501000，同时，由于高温合金中含有大量的碳化物和氮化物等硬质点，且高温硬度很高，使刀具容易发生机械磨损；切削高温合金时，刀具还容易发生黏结磨损。,34,在切削高温合金时，应十分注意降低切削温度和减少加工硬化。刀具的切削刃应该始终保持锋利。前角应为正值，但不能过大，后

19、角一般应稍大一些。切削用量的合理选择很重要，一般是低切削速度，中等偏小的进给量，较大的背吃刀量。应该使切削刃在冷硬层以下进行切削。镍含量对镍基高温合金的切削速度影响很大。应该选择合适的切削液。对于镍基高温合金应避免使用含硫的切削液，否则会对工件造成应力腐蚀，影响零件的疲劳强度。工艺系统刚性要高，机床功率应足够大。改善镍基高温合金切削加工性的一个办法是进行“淬火”处理。,35,钛合金的切削加工性,钛合金以其比强度高、机械性能及抗蚀性良好而成为飞机及发动机理想的制造材料，但由于其切削加工性差，长期以来在很大程度上制约了它的应用。随着加工工艺技术的发展，近年来，钛合金已广泛应用于飞机发动机的压气机段

20、、发动机罩、排气装置等零件的制造以及飞机的大梁隔框等结构框架件的制造。,36,特点及切削加工性,钛合金相对一般合金钢具有以下优点： 比强变高：钛合金密度只有4.5g/cm3，比铁小得多，而其强度与普通碳钢相近。 机械性能好：钛合金熔点为1660，比铁高，具有较高的热强度，可在550以下工作，同时在低温下通常显示出较好的韧性。 抗蚀性好：在550以下钛合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被进一步氧化，对大气、海水、蒸汽以及一些酸、碱、盐介质均有较高的抗蚀能力。,37,钛合金的切削加工性比较差。原因,导热性差，致使切削温度很高，降低了刀具耐用度。 600以上温度时，表面形成氧化硬层，对刀具有强烈的

21、磨损作用。 塑性低、硬度高，使剪切角增大，切屑与前刀面接触长度很小，前刀面上应力很大，刀刃易发生破损。 弹性模量低，弹性变形大，接近后刀面处工件表面回弹量大，所以已加工表面与后刀面的接触面积大，磨损严重。,38,切削加工钛合金的普遍原则,尽可能使用硬质合金刀具，如钨钴类硬质合金与钛合金化学亲和力小、导热性好、强度也较高。低速下断续切削时可选用耐冲击的超细晶粒硬质合金，成形和复杂刀具可用高温性能好的高速钢。 采用较小的前角和较大的后角以增大切屑与前刀面的接触长度，减小工件与后刀面的摩擦，刀尖采用圆弧过渡刃以提高强度，避免尖角烧损和崩刃。 要保持刀刃锋利，以保证排屑流畅，避免粘屑崩刃 切削速度宜低，以免切削温度过高；进给量适中，过大易烧刀，过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快；切削深度可较大，使刀尖在硬化层以下工作，有利于提高刀具耐用度 加工时须加冷却液