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常用材料的切削加工性能

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-01-05
简介提示:工件材料的切削加工性,通常用下面的一个或数个指标衡量:1﹑刀具耐用度;2﹑一定刀具耐用度允许的切削速度;3﹑切削力;4﹑切削温度;5﹑加工表面粗糙度或表面质量。
良好的切削加工性能:
1)刀具的耐用度较高,或在一定的耐用度下允许的切削速度较高
2)在相同的切削条件下,切削力较小
3)切削温度较低,容易获得较细的表面粗糙度,容易控制切削形状或者断屑
 
工件材料和切削的加工性
本文从工件材料方面分析影响生产率及表面质量的因素,以及提高它们的途径:从生产实际中了解到,有些材料容易切削(生产率高,表面质量好),而另一些材料却很切削;分析工件材料的机械物理性能以及化学成分如何影响切削加性,如何提高工件材料的切削加工性。材料的切削加工性是指导某种材料进行切削加工性的难易程度,其易程度,一般与材料的化学成份,热处理状态﹑金相组织﹑物理力学性能以及切削条件有关。
 
一﹑ 衡量切削加工的指标
工件材料的切削加工性,通常用下面的一个或数个指标衡量:
1﹑刀具耐用度;
2﹑一定刀具耐用度允许的切削速度;
3﹑切削力;
4﹑切削温度;
5﹑加工表面粗糙度或表面质量。
目前,常用一定刀具耐用度下充许的切削速度vT作为衡量指标。vT__-指刀具耐用度为T时,切削某种材料的允许的切削速度。vT越高,说明该材料的切削加工性能好。任何事情都是相对而言,那么对于材料的切削加工性,也要用相对加工性Kr 表示。它的基准是以切削抗拉强度&b = 0.735Gpa的45#钢,耐用度T=60min时的切削速度Vb60为基准。相对加工性就是以该基准与切削其它材料时V60的比值。即
Kr=V60 / Vb60
①当Kr<1时,说明该材料比45﹟钢易切削;切削加工性好;
②当Kr>1时,该材料比45﹟钢难切削,切削加工性能差。
常用材料切削加工性,根据相对加工性Kr的大小切分为八级,见表5—1。
 
二﹑改善材料可切削性的途经
1﹑改善材料的化学成份。
1*在黄铜中加入1%~3%的铅,在钢中加入0.1%~0.25%的铅。铅可以球状粒子存在于材料的金相组织中,切削时能起很好润滑作用,减少摩擦,使刀具耐用度和表面质量得提高。
2*在碳钢中加入MnS,Mn 分布于珠光体中,起润滑作用,使刀具耐用度和切切削后的表面质量提高,增大脆性,切屑易断。
2﹑进行适当热处理:
1*塑性大的材料如低碳钢,能过正火调质,可降低塑性,提高硬度,容易切削;
2*脆性材料如高碳钢,白口铸铁,经过退火处理,可以降低硬度,改善切削性能;
3*低碳钢根据泠作硬化,采用泠拔使塑性降低,提高硬度,改善其切削功工性;
 
三﹑几种难加工材料的切削功工性:
难加工金属材料主要有:高强度钢,超高强度钢,泠硬铸铁,不锈钢,钛合金等。
1﹑高强度钢,超高强度钢的切削加工性
高强度钢,超高强度钢的半精加工,精加工和部分粗加工常在调质状态下进行。调质后它们的金相组织,一般为索化体或和托氏体,硬度35~50HRC,抗拉强度&b=0.981Gpa左右,与切削正火状态下的45钢相比,其切削力仍高出20~30%,切削温度高,故刀具磨损快,耐用度低。
切削时常采用的措施:(硬度高前角小,耐磨性好的刀具材料)
① 选用耐磨性好的刀具材料,如YT类硬质合金中添加钽﹑铌,提高耐磨性。
② 前角r0应得小些,切削38CrNi3m0Va时,取R0=4~6o,加工35CrMnSiA时,取r0=0~- 4o;
③ 在工艺系统刚性充许的情况下,Kr选得小些,Rs选得大些,以提高刀尖的强度和改善散热条件;
④ 切削用量应比加工中碳钢正火时适当降低些.
2﹑高锰钢的切削加工性.
Mn12,40Mn18Cr4等为高锰钢常用碑号。经过水韧处理,硬度不高,便塑性特别高,加工硬化特别严重,导热系数很小,因此切削温度很高,切削力约比切削45钢时增大60%,高锰钢比高强度钢更难加工。
切削时常采取的措施:
1*选用硬度高,有一定韧性,导热系数较大,高温性能好的刀具材料。粗加工时,可选用YG类或YW类硬质合金。精加工时可选用YT14或YG6X等硬质合金,若选用复合氧化铝陶瓷高速精车,效果更好;
2*前角R0不宜选得过大或过小,一般取r0=- 3~3o;
3*切削速度应较低,一般选Vc=20—40m/min,只有用复合氧化铝陶瓷精车,可以采用Vc<100m/min.ap和f不应选得过小,以免因上道工序的加工硬化难以切下金属。
3﹑泠硬铸铁的切削加工性:
泠硬铸铁硬度较高,是其难加工的主要原因。它的塑性很低,刀与屑接触长度很小,切削力和切削热都集中在切低削的附近,因而切削刃极易崩刃。
切削时常采取的措施:
1*选用硬度与强度都好的刀具材料。一般均采用细晶粒或细晶粒的YG类硬质合金或用复合氧化铝对其半精加工或精加工非常有效。
2*为提高刀类和切削刃的强度,取γ0=0~4度,λs=0- -5,Kr适当减小,γs适当加大。
3*不锈钢的切削加工性1cr18Ni9Ti和2cr13是难加工不锈钢。在切削加工时,因其韧性大,加工硬化严重,导热系数小,致使切削温度高,刀具磨损快,耐用度降低。、
切削时常采取的措施:
① 对2Cr13进行调质处理,对1G18Ni9Ti在850摄氏度~950摄氏度退火处理;
② 选用YG类硬质合金刀具进行切削加工,以减小粘结。
③ 采用较大的前角,一般取γ0=25—30,以减小加工硬化,采用较小的Kr,以增强刀具的使热能力。
④ 在切削用量方法,为减小粘结现象,可采用较高或较低的vc.
4﹑钛合金的切削加工性
加工钛合金时,刀具磨损快,耐用度低,其原因如下:
① 因钛的化学性能活泼,在高温时易与空气中的氧,氮等元素化合,使材料变脆,因此刀---屑接触很短(只为钢的1/3~1/4);
② 导热系数极小,仅为45钢的1/5---1/7,切削热集中在切削刃的附近,故切削温度很高,比加工45钢高出一倍;
③ 加工表面常出现硬而脆的外皮,给后一道工序加工带来困难。
切削时常采用的措施
① 为避免刀具与工件中的钛元素亲和作用,加工钛合金时,不宜选用YT类硬质合金,应选用YG类或YW类;
② 为提高切削刃的强度和散热条件,应取较小的前角,γ0=5---10o;
③ vc不宜选得大高,一般vc=40---50m/min;f与宜适当加大。
 
已加工表面的粗糙度
已加工表面质量的高低,主要从三个方面来考虑:
①表面粗糙度
②表面层泠作硬化程度
③表面层线条应力的性质及其大小。
① 零件的粗糙度值大:a﹑耐磨性差,容易磨损,以致使精度降低。
b﹑容易造成应力集中,而降低零件的疲劳强度。
c﹑容易被腐蚀。
② 对于塑性材料的工件,已加工表面的金属层会产生冷作硬化,从而降低零件的抗冲能力;已加工表面会有线条应力存在,表面产生细微裂纹,降低零件的疲劳强度。由此要知,在制造零件时,必须保持零件获得规定的表面质量,特别是表面粗糙度应受到更大重视,因此,有必要了解已加工表面粗糙度的变化规律。表面粗糙度是从几何方面表明已加工表面的完整性。
 
几何原因形成的表面粗糙度
表面粗糙度是以已加工表面微观不平度的高度来衡量。切削加工后的已加工表面粗糙度,按其在切削过程中形成的方向分为横向粗糙度:垂直于切削速度(进给方向)的粗糙度;纵向粗糙度:沿切削速度方向的粗糙度;在普通切削的情况下,(两切削刃同时参加切削),由于刀具几何角度和切削刃与工件间相对运动等原因,加工后一部分残留金属被残留在已加工表面上,构成了已加工表面在进给方向的表面粗糙度,下面两种情况考虑:
1﹑用刀尖圆弧半径re=0的车进行纵车:
2﹑用刀尖圆弧半径R<0的车刀进行纵车
假适刀尖圆弧re比较大,主要靠它来切削, ,
切削中不稳定因素形成的表面粗糙度:
切削中不稳定因素形成的表面粗糙度叠加在几何原因形成的表面粗糙度之上,增大了已加工表面的粗糙度值,不稳定因素有积屑瘤,鳞片,振动,摩擦。刀刃不平整和切屑划份等因素。
1.积屑瘤的影响:积屑瘤会经常产生,剥落和消失。当积屑瘤产生变化时,一方面使切削刃的形状发生变化;另一方面碎片会粘结在工期件表面上。
⒉ 鳞刺的影响:鳞刺是在切削过程中已加工表面上形成的鱼片状毛刺,如在较低的VC和较大的f,车,刨,拉,攻螺插齿和滚齿加工中,会出现这种现象,将严重影响已加工表面质量。
抑制鳞刺产生的措施,应从减切屑和前面的摩擦入手,此外,增大前角和采用润滑性能良好的切削液,也可收到良好的效果。
⒊ 振动的影响:在切削过程中,一旦产生振动就会在已加工表面上留下振纹,致使表面粗糙度值明显加大。根据振动方向的不同,有纵向振纹,横向振纹,振动不仅恶化于加工表面质量,而且严重时影响机床精度和损坏刀具。
4﹑其它因素的影响:
 
切削液
在金属切削中,正确选用切削液,对降低切削温度和切削力,减小刀具磨损,提高刀具耐用度,改善表面质量,提高生产率,都有非常重要的作用。也是提高金属切削效益即经济又简便的一种方法。
 
切削液的作用:
1、润滑作用
1) 定义---润滑作用是指切削液具有减少前刀面,后刀面与已加工表面间摩擦的能力。
2)机理——切削时,由于部分借给的切液,要达到切屑与前刀面的接触区十分困难,运动着的金属表面间,有时被连续的润滑油膜完全隔开,即流体润滑,又由于载荷增大,油膜局部被破坏,两金表面间发生局部接触,即边界润滑,切削过程中的润滑大都属于边界润滑。切削时,切削液的润滑能力,取决于切削液的渗逶性,成膜能力和润滑腊强度。
2﹑泠却作用
切削温度和高低,取决天产生热量与热量之差,一方面切削液能减小切屑,刀具,工件间的摩擦。减小切削液能将已产生热量从切削区带走,使切削温度降低。泠却性能的好坏,取绝于切削液的导热系数,比热,汽化热,流量与流速等。如这些物理性能的数值愈大。则切削液的泠却性能越好。
3﹑清洗与防锈作用
1)清洗作用是切削液粘结附在机床,夹具,刀具上的细碎切屑和糜料细粉洁除,以减小刀具磨损,防止划伤已民加工表面和机床导轨,清洗性能的好坏,取决于切削液的油性,流动性和使用压力。
2) 防绣作用,是为保护工件,机床刀具不周围介质(空气等)的影响腐蚀。防绣作用的强弱,取决于切削液本身和添加剂的作用。
 
切削液的种类与选用:
金属切削时使用的切削液分为三种:水溶液,乳化液,切削液。
1)水溶液:水溶液主要成分是水,加入防锈即可,主要用于磨削。
2)乳化液:乳化液具有良好的泠却作用,若再加入一定比例的油性剂和防锈剂,则可成为即能润滑又可防锈的乳化剂。
3)切削液:切削液的主要成分是矿物油,矿物油性差。不能形成牢固的吸附膜,润滑能力差,在低速时,可加入油性剂。在高速或重切削时可再加入极压添砖加剂。常用切削液的种类与选用见表5-3
影响切削表面塑性变形和积屑瘤的因素:切削速度v处于20~50m/min时,表面粗糙度值最大,这是由于此时容易产生积屑瘤或鳞刺。积屑瘤已在3.4节中介绍,鳞刺是指切削加工表面在切削速度方向产生的鱼鳞片状的毛刺。在切削低碳钢、中碳钢、铬钢、不锈钢、铝合金、紫铜等塑性金属时,无论是车、刨、钻、插、滚齿、插齿和螺纹加工工序中都可能产生鳞刺。积屑瘤和鳞刺均使表面粗糙度值加大。当切削速度超100m/min时,表面粗糙度值下降,并趋于稳定。在实际切削时,选择低速宽刀精切和高速精切,往往可以得到较小的表面粗糙度值。
一般说,材料韧性越大或塑性变形趋势越大,被加工表面粗糙度就越大。切削脆性材料比切削塑性材料容易达到表面粗糙度的要求。对于同样的材料,金相组织越是粗大,切削加工后的表面粗糙度值也越大。为减小切削加工后的表面粗糙度值,常在精加工前进行调质等处理,目的在于得到均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。
此外,合理选择切削液,适当增大刀具法前角、提高刀具的刃磨质量等。均能有效地减小加工表面粗糙度值。
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影响工件材料切削加工性的因索和改善途径
1、什么是难切削材料?所谓难切削材料,就是切削性差的材料,或切削困难的材料。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。也可用切削过程中的现象(切削力大、切削4温度离、刀具易磨损、刀具耐用度低、已加工表面质量难于达到要求和切屑难于控制等)来衡量。
2、影响材料切削加工性的因素:
(1)物理性能:
1)导热系数K:导热系数高的材料,允许的切削速度Vc就高。如用硬质合金刀具切削下列不同导热系数的材料所允许用的Vc;
碳钢 K=48.2~50.2 W/m.k Vc=100~150 m/min
高温合金 K=8.4~16.7 W/m.k Vc=7~60 m/min
钛舍金 K=5.44~10.47 W/m.k Vc=15~50 m/min
2)线膨胀系数α:它的大小影响材料在切削时加工时热胀冷缩程度而影响加工精度。
(2)材料的化学成分:材料的化学成分和配比,是影响材料的力学性能、物理性能、热处理性能、金相组织和材料的切削加工性的根本因素。如:
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。
(3)材料的力学性能:
1)硬度和强度:材料的硬度和强度适中,其切削加工性比较好。硬度和强度越高,材料的切削加工性就越差。如火的45号钢,它的硬度为HB200,抗拉强度σb为640MPa,就好切削;淬火钢的硬度达HRC55~65,抗拉强度σb达2100~2600MPa,它的切削加工性就很差。
2)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。
3)弹性模量:它是表示材料刚度的指标。弹性模量大,示材料在外力作用下不易产生弹性变形。但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,Mo材E=500000MPa。
3、金相组织:
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。
3、难切削材料的切削特点:
(1)切削力大:单位切削力为切削45号钢的1.5~2.5倍
(2)切削温度高:当切削速度Vc=75m/min时,切削以下材料比切削45钢的切削温度高:
TC-4 435℃; GH132 320℃;
GH36 270℃; 1Cr18Ni9Ti 195℃
(3)加工硬化倾向大:由于部分难切削材料的塑性、韧性高,强他系数大,加之在切削热的作用下,吸牧周围介质中的H、O、N等原子,使切销表面和已加工表面形成硬脆层,硬化程度比材料基体高50~200%,深度大于0.1mm,是切削45号钢的好几倍。
4、改善难切削材料加工性的途径:
选用性能优良的刀具材料,选用合理的刀具几何参数,选用合理的切削用量,选用性能好的切削液,对被切削材料进行适当的热处理,采用其它工艺措施(如离子加热切削、振动切削、电熔爆等)。

 
 
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