第7章-工件材料切削加工性

第一節(jié)切削加工性的概念和衡量指標(biāo)(Machinability)概念：在一定條件下對工件材料進(jìn)行切削加工的難易程度。切削加工性是一個(gè)相對的概念。衡量指標(biāo)：

加工表面質(zhì)量刀具耐用度單位切削力斷屑性能2023/2/411、以加工質(zhì)量衡量切削加工性1.1、精加工，以表面粗糙度衡量切削加工性：表面粗糙度高，切削加工性好；1.2、對特殊精密零件，以已加工表面變質(zhì)層深度、殘余應(yīng)力及硬化程度來衡量其加工性。2、以刀具耐用度衡量切削加工性2.1、刀具耐用度相同的情況下，允許的切削速度高低；√常用2.2、相同切削條件下，考察刀具耐用度的大??；2.3、相同切削條件下，刀具達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)切除金屬的多少。2023/2/42材料切削加工性指標(biāo)通常用vT表示，vT是指耐用度為T秒（或分）時(shí)，切削某種材料所允許的切削速度。vT越高，表示材料的切削加工性越好。通常取T＝3600秒（60分），vT寫作v3600（v60）；即：在切削普通金屬材料時(shí)，用刀具耐用度達(dá)到60min時(shí)允許的切削速度v60的高低來評定材料的加工性。對于一些特別難加工的材料，也可取T＝1800秒（30分），vT寫作v1800（v30）。2023/2/43例：如果以45鋼（HB170～229，σb＝0.637GPa）的v3600（v60）作為基準(zhǔn)，寫作（v3600）（v60）

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；而把其它各種材料的v3600（v60）同它相比，這個(gè)比值Kr稱為材料的相對加工性。即：（7-1）7.1材料切削加工性概念和指標(biāo)

2023/2/44加工性等級表0材料相對加工性等級材料名稱及種類相對加工性Kr代表性材料1很易切削材料一般有色金屬＞3.0銅鋁合金，鋁銅合金，鋁鎂合金2容易切削材料易切削鋼2.5～3退火l5Cr，σb＝0.373～o.441GPa自動機(jī)鋼，σb＝0.393～0.491GPa3較易切削鋼1.6～2.5正火30鋼，σb＝0.441～0.549GPa4普通材料一般鋼、鑄鐵1.0～1.645鋼，灰鑄鐵5稍難切削材料0.65～1.02Crl3，調(diào)質(zhì)σb＝0.834GPa85，鋼σb＝0.883GPa6難加工材料較難切削材料0.5～0.6545Cr，調(diào)質(zhì)σb＝1.03GPa65Mn，調(diào)質(zhì)σb＝0.932～0.9817難切削材料0.15～0.550CrV,調(diào)質(zhì)；1Crl8Ni9Ti,鈦合金8很難切削材料＜0.15某些鈦合金，鑄造鎳基高溫合金7.1材料切削加工性概念和指標(biāo)

2023/2/453、以單位切削力衡量切削加工性能在機(jī)床動力不足，或機(jī)床---刀具---夾具---工件系統(tǒng)剛性不足時(shí)，采用這種衡量指標(biāo)。4、以斷屑性能衡量切削加工性能適用于對斷屑性能要求較高的場合。2023/2/467.2影響工件材料切削加工性能的因素及改善切削加工性的途徑一、影響工件材料切削加工性的因素材料力學(xué)性能材料物理化學(xué)性能化學(xué)成分金相組織加工條件等2023/2/47工件材料韌性對切削加工性的影響一)材料力學(xué)性能對切削加工性的影響◆1.工件材料硬度的影響1）工件材料常溫硬度對切削加工性影響：工件材料硬度越高，切削力越大，切削溫度越高，刀具磨損越快。2）工件材料高溫硬度的影響：工件材料高溫硬度越高，加工性越差。這是因?yàn)榍邢鳒囟葘η邢鬟^程的有利影響（軟化）對高溫硬度高的材料不起作用。3）金屬材料中硬質(zhì)點(diǎn)對加工性的影響：金屬中硬質(zhì)點(diǎn)越多，形狀越尖銳、分布越廣，則材料的加工性越差。4）材料的加工硬化對切削加工性的影響：加工硬化性越嚴(yán)重，切削加工性越差。某些高錳鋼、奧氏體不銹鋼切削后的表面硬度，比原始基體高1.4~2.2倍。2023/2/48工件材料韌性對切削加工性的影響強(qiáng)度越高的材料，產(chǎn)生的切削力越大，切削時(shí)消耗的功率越多，切削溫度亦越高，刀具容易磨損。因此，在一般情況下，加工性隨工件材料強(qiáng)度提高而降低。工件材料的強(qiáng)度包括常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度合金鋼和不銹鋼，常溫強(qiáng)度和碳素鋼相差不大，但高溫強(qiáng)度卻差別很大，所以其加工性能低于碳素鋼。◆

2.工件材料強(qiáng)度的影響2023/2/49◆

3、工件材料的塑性對切削加工性能的影響為了改善高塑形材料的加工性能，可通過硬化、熱處理等措施來降低被加工材料的塑性。。材料的塑性通常以延伸率δ表示。一般，材料的塑性越大，越難加工。因?yàn)樗苄源蟮牟牧?，加工變形和硬化、刀具表面的冷焊現(xiàn)象都比較嚴(yán)重，不易斷屑，不易獲得好的已加工表面質(zhì)量。另外，切屑與前刀面的接觸長度加大，使摩擦力增大。如：硬度相近的45鋼和1Cr18Ni9Ti不銹鋼（δ

=40）。但材料塑性太小時(shí)，切屑與前刀面的接觸變得很短，切削力、切削熱集中在切削刃附近，使刀具磨損嚴(yán)重，故切削性也差。2023/2/410工件材料韌性對切削加工性的影響◆4.工件材料韌性的影響韌性大的材料，切削加工性較差：在斷裂前吸收的能量多，切削功率消耗多；且斷屑困難?！?.工件材料彈性模量的影響材料的彈性模量E是衡量材料剛度（抵抗彈性變形的性能）的指標(biāo)，E值越大，材料剛度越大，切削加工性越差?！锊牧系那邢骷庸ば允巧鲜鲞@些機(jī)械性能（硬度、強(qiáng)度、塑性、韌性、彈性模量等）綜合影響的結(jié)果。2023/2/411工件材料韌性對切削加工性的影響二）材料物理化學(xué)性能對切削加工性的影響如鎂合金易燃燒，鈦合金切屑易形成硬脆化合物等，不利于切削進(jìn)行。◆1.工件材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響工件材料導(dǎo)熱系數(shù)低，切削溫度高，刀具易磨損，切削加工性差?！?.工件材料物理化學(xué)反應(yīng)的影響金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)大小順序：純金屬、有色金屬、碳結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵、低合金結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、耐熱鋼、不銹鋼。2023/2/412三）化學(xué)成分對切削加工性的影響1、鋼的化學(xué)成分的影響：①Cr,Ni,V,Mo,W,Mn等元素，可提高鋼的強(qiáng)度和硬度；②Si,Al等元素，容易形成氧化鋁和氧化硅等硬質(zhì)點(diǎn)，使刀具磨損加劇；③S,Se(硒),Pb,Bi(鉍),P(磷)等元素，能略略降低鋼的強(qiáng)度，同時(shí)又能降低鋼的塑性，可改善切削加工性能。④S能引起鋼的紅脆性，但若適當(dāng)提高M(jìn)n的含量，可以避免紅脆性。MnS,FeS質(zhì)地軟，成為切削塑性變形區(qū)中的應(yīng)力集中源，易斷屑，并減小積屑瘤的形成。2023/2/413⑤磷能降低鐵素體的塑形，使切屑易于折斷。依此原理，研制除了含硫、硒、鉛、鉍、鈣的易切鋼，其中含硫的易切鋼用的較多。2、鑄鐵的化學(xué)成分的影響鑄鐵的化學(xué)成分的影響，主要取決于這些元素對碳的石墨化作用。碳以石墨化形式存在時(shí)，鑄鐵的切削加工性高。硅、鋁、鎳、銅、鈦等，能促進(jìn)碳的石墨化，提高鑄鐵的加工性能；碳化鐵含量高時(shí)，鑄鐵的切削加工性低。鉻（ge,Cr）、釩、錳、鉬、鈷、磷、硫等，阻礙碳的石墨化，降低鑄鐵的加工性。2023/2/414

四）金屬組織對切削加工性的影響1、鋼的不同組織對切削性能的影響：鋼的金相組織有鐵素體、滲碳體、珠光體、索氏體、托氏體、奧氏體、馬氏體等。2023/2/415①鐵素體塑性高，珠光體塑性低。鋼中含有大部分鐵素體，少部分珠光體時(shí)，切削速度及刀具耐用度都較高；②純鐵（含碳量極低）是完全的鐵素體，切削加工性低；③珠光體呈片狀時(shí)，刀具磨損較大；片狀珠光體球化處理后，組織為“連續(xù)分布的鐵素體+分散的碳化物顆?！保毒叩哪p小，耐用度高；④切削馬氏體、回火馬氏體和索氏體等硬度較高的組織時(shí)，刀具磨損較大；

可用熱處理的方法，通過改變金屬組織來改善金屬的切削加工性。2023/2/4162、鑄鐵的金屬組織對切削加工性的影響鑄鐵按金屬組織來分，可分為：白口鐵、麻口鐵、珠光體灰鑄鐵、灰鑄鐵、鐵素體灰鑄鐵、各種球墨鑄鐵（包括可鍛鑄鐵）。鑄鐵的相對加工性2023/2/417二、改善工件材料切削加工性的途徑通過熱處理改變材料的組織和機(jī)械性能

1、高碳鋼和工具鋼：球化退火，降低硬度

2、熱軋狀態(tài)的中碳鋼：正火、退火，使組織和硬度均勻。

3、低碳鋼：冷拔或正火，提高硬度。4、馬氏體不銹鋼：調(diào)質(zhì)處理，降低塑性5、鑄鐵件：退火處理：降低表層硬皮硬度，消除內(nèi)應(yīng)力。調(diào)整材料的化學(xué)成分

在鋼中適當(dāng)添加一些元素，如硫、鈣、鉛等，使鋼的切削加工性得到顯著改善，這樣的鋼叫“易切鋼”。2023/2/418常用金屬材料的切削加工性◆1.有色金屬有色金屬（如鋁及鋁合金，銅及銅合金等）通常屬于易切削材料。，7.3常用金屬材料的切削加工性2023/2/419鑄鐵的加工性一般較碳鋼好。比較各種鑄鐵加工性的好壞，主要取決于石墨的存在形式、基體組織狀態(tài)、金屬組織成分和熱處理的影響。例如：灰鑄鐵，可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵中，石墨分別呈片狀、團(tuán)絮狀和球狀，因此它們的強(qiáng)度依次提高，加工性隨之變差。◆2.鑄鐵有色金屬（如鋁及鋁合金，銅及銅合金等）通常屬于易切削材料。7.3常用金屬材料的切削加工性◆1.有色金屬2023/2/420◆3.碳素鋼普通碳素鋼的切削加工性主要取決于鋼中碳的含量。低碳鋼硬度低、塑性和韌性高，切削變形大，切削溫度高，斷屑困難，故加工性較差。高碳鋼的硬度高、塑性低、導(dǎo)熱性差，故切削力大，切削溫度高，刀具耐用度低，加工性也差。相對而言，中碳鋼的切削加工性較好。，7.3常用金屬材料的切削加工性在碳素鋼中加入一定合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使鋼的機(jī)械性能提高，但加工性也隨著變差?！?.合金工具鋼2023/2/421常用金屬材料的切削加工性表1工件材料加工性分級表切削加工易切削較易切削較難切圍難切削等級代號01234567899a9b硬度HB≤50＞50～100＞100～150＞150～200＞200～250＞250～300＞300～350＞350～400＞400～480＞480～635＞635

HRC

＞14～24.8＞24.8～32.3＞32.3～38.1＞38.1～43＞43～50＞50～60＞60

抗拉強(qiáng)度Σb（GPa）≤0.196＞0.196～0.441＞0.441～0.588＞0.588～0.784＞0.784～0.98＞0.98～1.176＞1.176～1.372＞1.372～l.568＞1.658～1.764＞1.764～1.96＞1.96～2.45＞2.45延伸率δ(％)≤10＞10～15＞15～20＞20～25＞25～30＞30～35＞35～40＞40～50＞50～60＞60～100＞100

沖擊值αk(kJ/m2)≤196＞196～392＞392～588＞588～784＞784～980＞980～1372＞1372～1764＞1764～1962＞1962～2450＞2450～2940＞2940～3920

導(dǎo)熱系數(shù)k(W/m·K)418.68～293.08＜293.08～167.47＜167.47～83.74＜83.47～62.80＜62.80～41.87＜41.87～33.5＜33.5～25.12＜25.12～16.75＜16.75～8.37＜8.37

2023/2/4227.4難加工材料的切削加工性難加工金屬材料的切削加工性難加工的原因一般是以下幾個(gè)方面：①高硬度；②高強(qiáng)度；③高塑性和高韌性；④低塑性和高脆性；⑤低導(dǎo)熱性；⑥有大量微觀硬質(zhì)點(diǎn)或硬夾雜物；⑦化學(xué)性質(zhì)活潑。這些特性一般都能使切削過程中的切削力加大，切削溫度升高，刀具磨損加劇，刀具使用壽命縮短；有時(shí)還將使已加工表面質(zhì)量惡化，切屑難以控制；最終則使加工效率和加工質(zhì)量降低，加工成本提高。2023/2/423典型難加工材料的加工高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼HRC35-50、強(qiáng)度超過1000MPa，如：連桿、曲軸、葉片、炮管等30CrMnSi、20CrMnTi等切削力大、溫度高、刀具磨損快、斷屑難高強(qiáng)度鋼在退火狀態(tài)下加工比較容易刀具：YT類、TiC基、陶瓷、涂層刀具等。2023/2/424典型難加工材料的加工高錳鋼含Mn量11-18%，如：鐵軌、挖掘機(jī)鏟斗、履帶等高錳奧氏體鋼，塑性變形大、耐磨性好高錳鋼線膨脹系數(shù)大，影響加工精度加工硬化嚴(yán)重、切削力大、溫度高、斷屑難：180~220HBS→450~500HBS導(dǎo)熱性差,為45號鋼的1/4刀具：YW類、陶瓷、涂層刀具等。P126頁5項(xiàng)措施2023/2/425典型難加工材料的加工淬火鋼（白口鑄鐵）硬度高，大于HRC50，工具鋼、模具鋼等一般磨削加工切削力大、溫度高、刀具磨損塊刀具：YW類、陶瓷、超細(xì)晶粒合金、涂層刀具等。2023/2/426純金屬的加工

常用的純金屬如紫銅、純鋁、純鐵等，其硬度、強(qiáng)度都較低，導(dǎo)熱系數(shù)大，對切削加工有利；但其塑性很高，切屑變形大，刀—屑接觸長度大并容易發(fā)生冷焊，生成積屑瘤，因此切削力較大，不容易獲得好的已加工表面質(zhì)量，斷屑困難。此外，它們的線膨脹系數(shù)較大，精加工時(shí)不易控制工件的加工精度。2023/2/427不銹鋼和高溫合金的切削加工性

1、不銹鋼按金相組織分，有鐵素體、馬氏體、奧氏體三種。鐵素體、馬氏體不銹鋼的成分以鉻為主，經(jīng)常在淬火—回火或退火狀態(tài)下使用，綜合機(jī)械性能適中，切削加工一般不太難。奧氏體不銹鋼的成分以鉻、鎳等元素為主，淬火后呈奧氏體組織，切削加工性比較差。2、高溫合金中含有許多高熔點(diǎn)合金元素，如鐵、鈦、鉻、鈷、鎳、釩、鎢、鉬等，它們與其他合金元素構(gòu)成純度高、組織致密的奧氏體合金。(1)強(qiáng)度較高(2)硬度較高(3)導(dǎo)熱系數(shù)小(4)合金中的高硬度化合物構(gòu)成硬質(zhì)點(diǎn)(5)在中、低切削速度下，易與刀具發(fā)生冷焊2023/2/428鈦合金的切削加工性

鈦合金的切削加工性也很差，刀具磨損快，刀具耐用度低，其原因?yàn)?(1)加工鈦合金時(shí)，剪切角很大，刀屑接觸長度短，使前刀面壓力增大，加速了刀具磨損；(2)導(dǎo)熱系數(shù)極小；(3)已加工表面經(jīng)常出現(xiàn)硬而脆的外皮；(4)彈性模量小，已加工表面回彈量大，加劇了對后刀面的摩擦。鈦合金加工注意事項(xiàng)，6項(xiàng)，P1302023/2/4297.4難切削材料，表2難切削金屬材料的切削加工性比較（惡化順序1→2→3→4）影響切削加工性的因素難切削金屬材料（淬火或析出硬化狀態(tài)）高錳鋼高強(qiáng)度鋼不銹鋼高溫合金低合金高合金馬氏體時(shí)效鋼沉淀硬化型奧氏體型馬氏體型索氏體型鐵基鎳基鈷基鈦合金硬度1～23～42～341～31～22～3122～322高溫強(qiáng)度11221l～2112～3332微觀硬質(zhì)點(diǎn)1～212～3111112～3321與刀具親和性111112222334導(dǎo)熱性422233223～43～444加工硬化性4221232133～432粘附件21111～231133～421相對切削加工性0.2～0.40.2～0.50.2～0.450.1～0.250.3～0.40.5～0.60.5～0.70.6～0.80.15～0.30.8～0.20.05～0.150.25～0.382023/2/430提高難切削材料切削加工性的途徑有：

1、選擇合適的刀具材料

2、對工件進(jìn)行相應(yīng)的熱處理；

3、提高機(jī)床－夾具－刀具－工件這一工藝系統(tǒng)的剛性，提高機(jī)床的功率；

4、刀具表面研磨，減小粗糙度；

5、合理選擇刀具幾何參數(shù)和切削用量；

6、對斷屑、卷屑、排屑和容屑給予足夠的重視；

7、使用切削液，以提高刀具耐用度2023/2/4317.5非金屬材料的加工塑料陶瓷復(fù)合材料石材橡膠等2023/2/432一、陶瓷材料的切削加工性普通陶瓷與特種陶瓷（精細(xì)陶瓷）精細(xì)陶