工件材料的切削加工性

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工件材料切削加工性与切削液

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第8章工件材料切削加工性与切削液章
• 8.3 切削液及其合理选用
– 8.3.1 切削液应具备的基本性能
• 1. 冷却性能
切削液种类
导热系数（w/m.℃） 0.628 0.126~0.210
比热容（J/kg.℃） 4190 1670~2090
汽化热（J/g） 2260 167~314
– 8.2.1 影响工件材料切削加工性的因素
• 2. 材料化学成分
各元素对结构钢切削加工性的影响
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第8章工件材料切削加工性与切削液章
• 8.2 影响工件材料切削加工性的因素及改善途径
– 8.2.1 影响工件材料切削加工性的因素
• 3. 材料金相组织
1—10%珠光体 2—30%珠光体 3—50%珠光体 4—100%珠光体 5—回火马氏体（300HBS） 6—回火马氏体（400HBS）
– 9.3.2 减小实际粗糙度的措施
• 2. 抑制积屑瘤
– （5）积屑瘤抑制措施
» » » » » » » 通过热处理减小工件材料塑性；增大刀具前角（不小于35度）；减小进给量；改变切削速度；采用加热切削或低温切削；提高刀具刃磨质量；使用润滑性能好的切削液。
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第9章已加工表面质量章
（b）纵向振纹
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第9章已加工表面质量章
• 9.4 加工硬化
– 9.4.1 概述
• 1. 概念
– 由切削加工造成的表面硬化现象，也称冷作硬化。
• 2. 产生的原因
已加工表面层内晶粒变化
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第9章已加工表面质量章
• 9.4 加工硬化
– 9.4.1 概述

第八章工件材料的切削加工性与切削液

第八章工件材料的切削加工性与切削液
8.1 工件材料的切削加工性 8.3 切削液及其合理选用
8.1 工件材料的切削加工性
8.1.1 切削加工性的相对性
工件材料的切削加工性是在一定切削条件，工件材料切削加工的难易程度。
比如：纯铁的粗加工容易，精加工时表面粗糙度很难达到要求；不锈钢在普通机床上加工容易，在自动化生产时因不断屑会使生产中断等等。
8.1.2 切削加工性的衡量指标
归纳为以下几种： ➢ 1.以刀具使用寿命衡量切削加工性
在相同的切削条件下，刀具使用寿命长，工件材料的切削加工性好。
2.以切削速度衡量切削加工性在刀具使用寿命T相同的前提下，切削某种材料允许的切削速度vT 高，切削加工性好；如取刀具使用寿命 T=60min，则vT可写作v60。
磨削速度高、温度高，热应力会使工件变形，甚至产生表面裂纹，且磨削产生的碎屑会划伤已加工表面和机床滑动表面。所以宜选用冷却和清洗性能好的水溶液或乳化液。但磨削难加工材料时，宜选用润滑性能好的极压切削油。
（5）封闭或半封闭容屑加工。钻削、攻丝、铰孔和拉削等需要切削液有较好的冷却、润滑及清洗性能，以减小刀-屑摩擦生热带走切屑，宜选用乳化液、极压乳化液和极压切削液。
8.3.2切削液的合理选用和使用方法
➢ 1、切削液的合理选用切削液的种类很多，性能各异，应根据工件材料、刀具
材料、加工方法和加工要求合理选用。一般选用原则如下：
（1）粗加工。选用冷却性能为主的切削液（如质量分数为3%～5%的乳化液），以降低切削温度。
硬质合金刀具耐热性好，一般不用切削液。在低速切削时，刀具以硬质点磨损为主，宜选用以润滑性能为主的切削油；高速度下切削时，刀具主要是热磨损，要求切削液油良好的冷却性能，宜选用水溶液和乳化液.

常用材料的切削加工性能

ZT:常用材料的切削加工性能parti良好的切削加工性能：1 ）刀具的寿命较高，或在一定的寿命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§5-1工件材料和切削的加工性本章从工工件材料方面本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V T作为衡量指标。

V T__-指刀具耐用度为T时，切削某种材料的允许的切削速度。

V T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 / Vb60①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%〜0.2 5%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咼。

第四章工件材料的切削加工性

二二、、金金属属材材料料化化学学成成分分的的影影响响
铬能在铁素体中固溶，又能形成碳化物。当含铬量小于0.5％，对切削加工性的影响很小。含铬量进一步增加，则钢的硬度、强度提高，切削加工性有所下降。
镍：镍能在铁素体中固溶，使钢的强度和韧性均有所提高，导热系数降低，使切削加工性变差。当含镍量大于8％后，形成了奥氏体钢，加工硬化严重，切削加工性就更差了。
3.普通铸铁：与具有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：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。但石墨易脱落，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。
二、金属材料化学成分的影响
氮：它在钢中会形成硬而脆的氮化物，使切削加工性变差。
各种元素在小于2％的含量时对钢的切削加工性的影响
三、金属材料热处理状态和金相组织的影响
铁素体：由于铁素体含碳很少，故其性能接近
于纯铁，是一种很软而又很韧的组织。在切削铁素体时，虽然刀具不易被擦伤，但与刀面冷焊现象严重，使刀具产生冷焊磨损。又容易产生积屑瘤，使加工表面质量恶化。故铁素体的切削加工性并不好。通过热处理(如正火)或冷作变形，提高其硬度，降低其韧性，可使切削加工性得到改善。
二、金属材料化学成分的影响
钼：钼能形成碳化物，能提高钢的硬度，降低塑性。含钼量在0.15％—0.4％范围内，切削加工性略有改善。大于0.5％后，切削加工性降低。
钒：钒能形成碳化物，并能使钢的组织细密，提高硬度，降低塑性。当含量增多后使切削加工性变差，含量少时对切削加工性略有好处。

第七节工件材料的切削加工性

3. 粗、精加工中切削用量的选择原则
粗加工时，应以提高生产率为主，同时保证规定的刀具寿命。
➢ 切削深度：在机床功率足够时，尽量一次完成加工余量。
➢ 进给量：根据机床-刀具-夹具-工艺系统刚性选择最大的进给量。
➢ 切削速度：根据已选定的切削深度和进给量、工件材料、刀具材料，选择中等偏下的切削速度。
最低成本刀具寿命：以每件产品（或工序）的
加工费用最低而确定的刀具寿命。
其它原则
➢ 根据刀具的复杂程度，即制造和磨刀成本选择。 ➢ 机夹可转位刀具寿命可选择的短一些。 ➢ 对装刀、换刀、调刀比较复杂的多刀机床、组
合机床、自动化加工刀具，刀具寿命要选得高一些。 ➢ 关键工序的刀具寿命要选得低一些。 ➢ 要保证大件加工一次走刀完成加工。
第七节
工件材料的切削加工
性
1. 切削加工性：指工件材料被切削加工的难易程度。
2. 衡量切削加工性的指标
以加工质量的好坏衡量切削加工性以刀具耐用度衡量切削加工性
➢
在保证相同刀具耐用度的前提下，切削这种材料允
Hale Waihona Puke 许的最大切削速度。➢
在相同的切削条件下，切削这种材料的刀具耐用度。
➢
在相同的切削条件下，保证切削这种材料达到磨钝
2. 制定切削用量时应考虑的因素
加工质量切削加工生产率刀具寿命在多刀切削和使用组合刀具切削时，应把
各刀具中允许的切削用量中最低的参数作为调整机床的参数。在自动线加工中，还要考虑生产节拍。
最高生产率刀具寿命：以单位时间生产最多数
量的产品或加工每个零件所消耗的生产时间最短而确定的刀具寿命。
➢ 粗加工根据工件材料、刀杆尺寸、工件直径和已确定的背吃刀量选择。

第2-7节工件材料的切削加工性

参考资料1：不锈钢的切削加工性
与45钢相比，1Cr18Ni9Ti不锈钢的相对可切削性约为0.3-.05之间，是一种难切削材料。其难加工性主要表现在：高温强度和高温硬度高，一般钢材切削时，随着切削温度的升高其强度会明显降低，切屑易被切离，而1Cr18Ni9Ti在700度时仍不能降低其机械性能，故切屑不易被切离，切削过程中切削力大，刀具易磨损。塑性和韧性高，虽然1Cr18Ni9Ti的抗拉强度和硬度都不高，但综合性能很好，塑性和韧性高，它的延伸率、断面收缩率和冲击值都较高， 1Cr18Ni9Ti的延伸率是40%，是40#的210-237%，是45#的250-280%，是20Cr、40Cr钢的400-500%，所以切屑不易切离、卷曲和折断，切屑变形所消耗的功能增多，如切除一定体积的1Cr18Ni9Ti所消耗的能量比切除相同体积的低碳钢约高50%，并且大部分能量转化为热能，使切削温度升高。由于1Cr18Ni9Ti不易加工，切屑不易切离和折断，故刀具和工件之间所产生的摩擦热也多，而不锈钢1Cr18Ni9Ti的导热率低(约为普通钢的1/21/3)，散热差，由切屑带走的热量少。大部分的热量被刀具吸收，致使刀具的温度升高，加剧刀具磨损。
2、工件材料化学成分的影响（1）钢材的化学成分对切削加工性的影响
碳素钢的强度与硬度随含碳量的增加而提高，而塑性与韧性随含碳量的增加而减小。低碳钢的塑性和韧性较高，又不易断屑，因此切削加工性较差；高碳钢的强度和硬度较高，易使刀具磨损，因此切削加工性较差；中碳钢的切削加工性较好。在钢中加入铬、镍、钒、钼、钨、锰、硅、铝等合金元素可以改变钢的切削加工性。
铁的加工性比冷硬铸铁好。
（3）以切屑控制或断屑的难易为衡量指标
在自动线上或自动机床上，常以切屑控制或断屑的难易程度作为衡量材料切削加工性的指标。

工件材料的切削加工性的评定指标

工件材料的切削加工性的评定指标
工件材料的切削加工性的评定指标
加工要求和生产条件不同，评定材料切削加工性的指标也不相同。

常用的评定指标有下面几种：
1.切削力或切削温度指标
在相同的切削条件下加工不同材料时，凡切削力大、切削温度高的工件材料，其切削加工性就差；反之，其切削加工性就好，在粗加工或机床刚性、动力不足时，常以切削力来评定材料的切削加工性能指标。

2.刀具寿命指标
在相同的切削条件下，使刀具寿命高的工件材料，其切削加工性好。

或者在一定刀具寿命下，所允许的最大切削速度高的工件材料，其切削加工性就好。

3.已加工表面质量指标
以常用材料是否容易保证得到所要求的已加工表面质量(常用表面粗糙度，或用加工硬化和残余应力等来衡量)，作为评定材料切削加工性的指标。

加工后表面质量好的材料，其加工性好；反之，加工性差。

在精加工时，常以此作为加工指标。

4.切削控制性能指标
凡切削容易被控制或折断的材料，其切削加工性就好，反之，则差。

在自动机床或自动生产线上，常用切削控制的难易程度来评定材料的切削加工性。

一种工件材料很男在各方面都能获得较好的切削加工性指标，只能根据需要选择一项或几项作为衡量其切削加工性的指标。

在一般的生产中，常以保证一定的刀具寿命所允许的切削速度作为评定材料切削加工性的指标。

此外，还有用切削路程的长短、金属切除量或金属切除率的大小作为指标来衡量材料的切削加工性。

第七章工件材料切削加工性

立方氮化硼刀具进行切削加工，或采用磨削加工方式。该材料额韧性低，脆性大，切削时刀具破损和磨损严重，刀具耐用度低。
二、复合材料的切削加工性
复合材料是指用两种或两种以上物理与化学形状不同的物质，人工制成的多组元固体材料。复合材料是多组元（相）体系。
复合材料的组成相: 基体相（起粘结作用）和增强相（提高强度和刚度的作用）
第七章工件材料切削加工性
7.1 工件材料切削加工性的概念和衡量指标
一、切削加工性的概念
切削加工性是指在一定切削条件下，对工件材料进行切削加工的难易程度。如难加工材料，加工性差。
切削加工性是相对的
二、
1、以加工质量衡量切削加工性：在一定条件下，以是否易达到所要求的表面质量的各项指标来衡量。
常以σb＝0.637GPa(60 kgf／min)的45钢的
V之6相0作比为，基则准得，相写对作加工(KVv性60K()VvVj，6为600)其j 它被切材料的V60与
当Kv>1时, 表明该材料比45钢易切削；当Kv<1时, 表明该材料比45钢难切削。各种材料的相对加工性Kv乘以45钢的切削速度, 即可得出切削各种材料的可用切削速度。
材料的化学成分是通过对其物理力学性能的影响而影响切削加工性的。钢（高碳钢、中碳钢、低碳钢）
钢中加入Cr、Ni、Mn、V、Mo等可提高强度和硬度；而加入Al、Si等易形成硬质点，加剧刀具磨损。
易切钢
铸铁（化学元素对碳的石墨化作用，促进石墨化作用（Al、Si、Ni、Cu、Ti）时切削加工性提高，反之降低。
4.切削条件对切削加工性的影响
二、改善工件材料切削加工性的途径
1.调整化学成分，
易切钢：切削力小，容易断屑刀具耐用度高加工表面质量好。

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措施
▪ 刀具材料
➢YG6——韧性大 ➢陶瓷刀具——刀具耐用度高
▪ 刀具角度（提高刀刃强度和散热性）
➢选用小前角：γo = -10°~ 0° ➢减小主偏角：κr =15°~ 30° ➢负刃倾角 ➢大的刀尖圆弧半径
▪ 切削速度
➢硬质合金：vc<20m/min ➢陶瓷：vc≈60m/min
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➢粗车：YG8N ➢精车：YM3、YW4
▪ 选用大前角、较小主偏角
▪ 因不锈钢切屑强韧，故应采取可靠的断屑、卷屑、排屑措施
▪ 为避免粘结现象，前、后刀面要仔细研磨
▪ ↑f、ap，防止刀具在硬化层内工作 ▪ 提高工艺系统刚度
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高温合金
按基体分
▪ 铁基高温合金
3.0
265 2
0.6
215 4
0.9
207 17.5 1.3
180 20
1.8
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金相组织因素
针状珠光体—片状珠光体—球状珠光体 v60↑
马氏体→索氏体→回火马氏体 v60↑
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改善切削加工性的途径
1. 调整化学成分，发展易切钢
▪ 在钢中适当添加一些元素（S、Pb、Se 等），使刀具耐用度↑，切削力↓，容易断屑，加工表面质量↑
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安排合适的热处理工序
1.25
粗车半精车正火精车
渗碳淬火
磨削
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加工半轴
下料
锻造正火
机加工
盘部钻孔
磨花键
调质
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坐标镗床主轴
▪ 要求:调质硬度HB240~280,表面硬度HV900~1100, 氮化深0.5mm
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常用切削加工指标
vT:
▪ 当刀具耐用度为T（min , s )时，切削某种材料所允许的切削速度
▪ vT↑ ——材料的加工性 ↑ ▪ 实际中人们最关注：生产率，经济性
目前还没有一个理想的方法评价切削加工性
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用
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4. 按切屑处理性（断屑性能）
▪ 排屑易—处理性↑—加工性↑ ▪ 断屑易—处理性↑—加工性↑ ▪ 卷屑易—处理性↑—加工性↑
➢ 断屑性能要求高的工序如：深孔、盲孔、镗孔、钻削
▪ 应用条件：自动机床、自动生产线
此外，可用切削路程Lm，金属切除率Zw 作为衡量指标
▪ 选用合理刀具几何参数
➢大前角γo≈10° ➢负刃倾角，增加刀刃强度
➢大的rε=0.5~1mm ➢磨制断屑糟
▪ 选用较低速度：vc<100m/min, 可↑T ▪ 采用退火、回火、正火处理，改善组织性能
▪ 提高工艺系统刚度，减少刀杆伸出量
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不锈钢
▪ 镍基高温合金
▪ 钴基高温合金
措施
变形铁基高温合金铸造铁基高温合金变形镍基高温合金铸造镍基高温合金
▪ 选用含Co多的YG6、YG8—导热性好，用于粗加工。YW类、YA6，用于精加工
▪ 选用较小前角（0°~5°），较小主偏角—↑刀具强度
▪
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选用大f，ap，工件避材料免的切在削加硬工性化游煌层煌内切削
机械制造技术
工件材料的切削加工性
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主要内容
切削加工性的概念及标志方法影响工件材料切削加工性的因素改善切削加工性的途径难加工材料的切削加工性
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切削加工性的概念
切削加工性：
▪ 指工件材料切削成合格零件的难易程度 ▪ 比较：Q235和45#
影响工件材料切削加工性因素
工件材料物理力学性能的影响工件材料化学成分的影响工件材料金相组织的影响
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一、物理力学性能因素
硬度
▪ 常温硬度
➢HB↑ — F ↑—Pc ↑—θ ↑—VB ↑—T↓—v60 ↓
▪ 高温硬度
➢HB↑—刀具硬度↓—硬度比↓—VB↑—T↓ — v60↓
➢与45#比：硬度高1~1.2倍，强度高1.6~3，延伸率高3~3.4倍, αk1~1.6倍。
➢故综合加工性差，切削力大，消耗功率多，温度高,刀具磨损快，断屑困难
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措施
▪ 选用强度高、耐磨性高的刀具材料
➢粗车：YT5、YTS25 ➢精车、半精车：YW3、712、715涂层硬质合金
▪ 工件材料中硬质点
➢HB↑—擦伤作用↑—v60↓
▪ 加工硬化
➢硬化程度↑— VB↑ — v60↓
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强度（包括常温和高温）
▪ σb↑— Fr↑—Pc↑—θ↑—VB↑ —v60↓
塑性
硬度和强度相近时
▪ δ↑—v60↓
➢工业纯铁、纯铜硬度低，塑性很高，也很难加工（粘刀）
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相对加工性Kv
以45#钢的v60为基准，记为（v60)j ,其它材
料的v60与（v60)j 之比，叫相对加工性
Kv
v60 (v60 ) j
Kv
加工性
Kv>1 Kv<1
比45#易切比45#难切
工件材料切削加工性等级, 见P.27表1-3
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➢从加工表面质量方面比较：45#>Q235 ➢从切削力大小方面比较：45#>Q235
▪ 特点：相对性
注：工件材料的切削加工性与加工密切相关，还应考虑刀具材料的性能
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切削加工性的标志（衡量指标）
1. 按加工质量来衡量材料的加工性
▪ 表面质量
➢ 表面粗糙度↓—加工性↑ ➢ 残余应力↓—加工性↑ ➢ 加工硬化程度↓—加工性↑
按组织分为
▪ 铁素体不锈钢 ▪ 马氏体不锈钢
导磁材料
▪ 奥氏体不锈钢 ▪ 析出硬化不锈钢非磁性材料
特点
▪ 常温下的σb、HB近于45# ▪ 高温HB、 σb高，产生加工硬化 ▪ 导热性小
较易切削
常用
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措施
▪ 选用导热性好、耐磨性高的刀具材料
▪ 选用合理的切削用量
➢硬质合金刀具：vc≤60m/min；陶瓷刀具：vc≤100m/min ➢选用较大的进给量 ➢选用较大的背吃刀量
▪ 采用高温回火处理
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高强度钢
特点
▪ 经热处理（淬火及回火）得到高的强度、硬度和延伸率
➢铬镍钢（20Cr2Ni4），269HBS，σb=1.177GPa , δ= 45%， αk=784kJ/m2
▪ k与合金元素有关
➢Cr、Ni、Mo、W↑—k↓
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化学成分因素
钢
▪ 含碳量
➢C%↑↑—HB↑、σb↑—v60↓ ➢C%↓↓—δ↑、αk↑—v 60↓
▪ 合金元素
➢Cr、Ni、V、Mo、W、Mn↑—硬度↑—v60↓ ➢Si、Al↑—硬质点多↑—v60↓ ➢S、P、Se、Pb↑—v60↑
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材料特点
▪ 强度高：高温强度、抗蠕变强度高 ▪ 抗氧化能力强：抗高温氧化能力高 ▪ 耐低温
难点：
▪ 材料的结构愈来愈复杂，重量越来越轻 ▪ 要考虑加工成型时单位体积所需的能量
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高锰钢
概念
▪ 含 Mn 量达11~14%，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）
▪ 改善措施——降低塑性
➢硬化（冷拔） ➢热处理
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韧性
▪ αk↑—折断前吸收能量↑—越难断屑—v60↓
材料导热系数
▪ k↓——v60↓ ▪ k有色>k中碳钢>k合金钢>k工具钢>k不锈钢、耐热钢
➢切削紫铜时k=393；45#时k=50；1Cr18Ni9Ti时k=14
（min)
➢ 保证相同切削条件下，保证刀具达到VB*时所切下金属体积的量(mm3/s)
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3. 按单位切削力和切削温度
▪ 相同条件下
➢ kc↑—F↑—Pc↑—θ↑—加工性↓
▪ 应用条件：粗加工、工艺系统刚性不足 ▪ 因切削温度数据不易得到，故此指标较少
下料锻造退火粗加工调质半精加工
低温退火精车低温退火粗磨磁力探伤
氮化磁力探伤半精磨油煮定性精磨