机械材料切削性能研究

徐州建筑学院继续教育学院专业专科毕业论文机械材料切削加工性能的研究 学生姓名：学 号：指导教师：专 业：年 级：教 学 点：江苏省交通技师学院二 0 一二年六月摘要：材料的化学成分不一样, 材料的组织结构不同, 热处理的方法不同, 力学性能也不同, 其切削加工性也完全不同。而切削加工性又会影响刀具的耐用度、零件表面质量、产品的生产率, 甚至使被加工零件变成次品、废品。因此, 必须对影响工件材料切削加工性的因素进行分析, 为以后选择正确的加工工艺路线提供依据。主要对影响工件材料切削加工的各种因素如材料的力学性能、物理性能、化学性能、化学成分、金相组织等进行了较为详细的分析, 并提出了改善工件材料切削加工性的基本途径。关键词：切削加工、热处理、工艺路线，物理特性 Abstract: Chemical composition is not the same as the organizational structure of the material, heat treatment, mechanical properties, its machinability is also completely different. Cutting would affect the durability of the tool parts surface quality, the product of productivity, even the parts to be processed into defective, waste. Therefore, we must analyze the factors affecting the machinability of the workpiece material to provide a basis for the future to select the correct processing line. On a variety of factors influence the machining of the workpiece material, such as the mechanical properties, physical properties, chemical properties, chemical composition, microstructure, etc. in a more detailed analysis, and basic way to improve workpiece material machinability.Keywords: Machining, heat treatment, process route, the physical characteristics 3目录1 绪论 .51.1 概述 .51.2 机械材料切削发展历史 .51.3 材料切削的技术特点 .72 衡量材料切削加工性的指标 .112.1 生产率和刀具耐用度 .112.2 切削力的大小和切削温度高低 .112.3 加工质量 .112.4 工作稳定性和安全生产 .123 影响工件材料切削加工性的因素 .133.1 力学性能对切削加工性的影响 .133.2 物理、化学性能对切削加工性的影响 .133.3 化学成分对切削加工性的影响 .143.4 金相组织对切削加工性的影响 .153.5 切削用量、刀具角度对切削加工性的影响 .153.6 其他因素对切削加工性的影响 .164 改善工件材料切削加工性的途径 .174. 1 改变化学成分 .174. 2 进行合理的热处理 .174. 3 改善切削条件 .174. 4 优选加工方法 .1844. 5 提高毛坯的质量 .185 提高切削加工技术经济性的途径 .195.1 缩减时间定额 .195.2 采用合理的刀具角度 .195.3 采用合理的热处理工艺 .195.4 采用先进工艺方法 .206 结论 .21致谢 .22参考文献 .2351 绪论1.1 概述材料的切削加工性能是指工件材料被切削加工成合格零件或产品的难易程度。材料的化学成分不一样, 材料的组织结构不同 , 热处理的方法不同, 力学性能也不同, 其切削加工性也完全不同。而切削加工性又会影响刀具的耐用度、零件表面质量、产品的生产率, 甚至使被加工零件变成次品、废品。因此, 必须对影响工件材料切削加工性的因素进行分析, 为以后选择正确的加工工艺路线提供依据。1.2 机械材料切削发展历史机械材料切削原理的研究始于 19 世纪中叶。1851 年，法国人 M.科克基拉最早测量了钻头切削铸铁等材料时的扭矩，列出了切除单位体积材料所需功的表格 1864 年，法国人若塞耳首先研究了刀具几何参数对切削力的影响 1870 年，俄国人.季梅首先解释了切屑的形成过程，提出了金属材料在刀具的前方不仅受挤压而且受剪切的观点。1896 年，俄国人.布里克斯开始将塑性变形的概念引入金属切削。至此，切屑形成才有了较完整的解释。1904 年，英国人 J.F.尼科尔森制造了第一台三向测力仪，使切削力的研究水平跨前了一大步。1907 年美国人 F.W.泰勒研究了切削速度对刀具寿命的影响，发表了著名的泰勒公式。1915 年，俄国人.乌萨乔夫将热电偶插到靠近切削刃的小孔中测得了刀具表面的温度（常称人工热电偶法），并用实验方法找出这一温度同切削条件间的关系 19241926 年，英国人 E.G.赫伯特、美国人 H.肖尔和德国人 K.科特文各自独立地利用刀具同工件间自然产生热电势的原理测出了平均温度（常称自然热电偶法）。 19381940 年美国人 H.厄恩斯特和 M.E.麦钱特利用高速摄影机通过显微镜拍摄了切屑形成过程，并且用摩擦力分析和解释了断续切屑和连续切屑的形成机理。40 年代以来，各国学者系统地总结和发展了前人的研究成果，充分利6用近代技术和先进的测试手段，取得了很多新成就，发表了大量的论文和专著。例如，美国人 S.拉马林加姆和 J.T.布莱克于 1972 年通过扫描电镜利用微型切削装置对切屑形成作了动态观察，得到用位错力学解释切屑形成的实验根据。在切削加工过程中, 刀具与工件有着对立和统一的关系. 当一方有了进展或提出新的问题时, 经常推动另外一方的发展与前进.一般来说, 由于生活、生产或战争的需要, 工件一方的情况经常发生变化. 例如, 工件材料的机械性能 (如强度、硬度) 不断提高、产品的品种和批量逐渐增多、加工精度的要求日益提高、工件的结构及形状不断复杂化和多样化等. 这样, 就不断向刀具提出更新、更高的要求. 当刀具不能满足这些要求时, 就促使人们改进刀具, 提高其性能, 以适应新的情况. 。刀具性能提高了,反过来推动工件进一步发展, 接着工件又推动刀具继续前进。要全面论述这个问题, 要用很大篇幅和很多资料. 本文先从工件、刀具双方材料的发展来加以说明. 从 18 世纪中叶到 19 世纪中叶, 工件材料多为灰铸铁、熟铁和钢合金, 它们较易加工, 当时所用的高碳工具钢刀具在切削性能方面已可胜任. 19 世纪中叶以后, 由于采用了转炉和平炉炼钢 , 钢的产量迅速增加, 逐步代替了灰铸铁、熟铁等, 成为主要的结构材料. 钢的加工要难一些. 用高碳工具钢刀具加工普通钢材, 只能采用 5 10 m m in- 1 的切削速度. 生产率过低, 于是高碳工具钢已不能适应新的加工要求. 1865 年, 英国人墨希特(M ushet R) 发明了合金工具钢, 使切削速度提高到 8 12m m in- 1. 这样的提高幅度, 仍是很有限的. 1898 年, 泰勒和怀特发明了高速钢, 切削普通钢材的速度一下子提高到 30m m in- 1. 这就使切削加工效率得到大幅度的提高, 成为金属切削历史上的一次重大变革.刚刚发明高速钢时, 刀具材料对于当时加工的需要大体上是适应的. 然而, 进入 20 世纪以后, 作为主要工件材料的各种合金钢和铸铁, 其机械性能日益提高. 尤其是 20 世纪中叶以来,各种高强度钢、高锰钢、不锈钢、高硬耐磨铸铁、高温合金、钛合金, 以及各种非金属材料、复合材料等难加工材料相继出现, 高速钢刀具加工这些材料时效率又嫌太低, 或者根本切不动 . 于是, 人们又改进高速钢的化学成分与热处理方法, 提高高速钢的切削性能, 出现了很多新型高速钢, 如含钴、高钒超硬高速钢等. 另外又利用高硬度的高温碳化物和金属粘结剂, 经7粉末冶金工艺制成硬质合金. 本世纪 20 年代至 30 年代初, 先后制成钴钨类和钨钛钴类硬质合金, 并逐步用于生产. 硬质合金刀具加工某些金属的效率, 可比高速钢提高 4 10 倍. 而且硬质合金硬度很高, 可以切削高速钢所加工不了的材料. 但是, 硬质合金脆性较大, 可加工性又差, 因此只能在部分加工范围内代替高速钢使用. 随后, 又出现了陶瓷、立方氮化硼、人造金刚石等更为先进的刀具材料, 它们的硬度和耐磨性又超过了硬质合金. 然而, 这些新刀具材料都因为过脆, 加上价格昂贵、或对某些加工情况不适应等原因, 直到最近它们的使用面还不够广. 目前, 切削加工仍处在大量使用高速钢与硬质合金的时代, 高速钢材料约占全部刀具的 40% 50% , 硬质合金约占 50% 60%. 用硬质合金、陶瓷等先进刀具材料, 可以切削硬度达 HRC60 以上的淬硬钢和冷硬铸铁, 也能够解决其它各种难加工材料的加工问题. 正因为如此, 这些难加工材料才能够用于工业生产. 而在 19 世纪或 20 世纪初, 要加工这些材料, 是根本不可想象的。1.3 材料切削的技术特点（1）切削力切削时刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，这些力组成合力 F，在外圆车削时，一般将这个切削合力 F 分解成三个互相垂直的分力：切向力 F它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常称主切削力；径向力 F在平行于基面的平面内，与进给方向垂直，又称推力；轴向力 F在平行于基面的平面内，与进给方向平行，又称进给力。一般情况下，由于刀具的几何参数刃磨质量和磨损情况的不同和切削条件的改变，F 对 F 的比值在很大的范围内变化。切削过程中实际切削力的大小，可以利用测力仪测出。测力仪的种类很多，较常用的是电阻丝式和压电晶体式测力仪。测力仪经过标定以后就可测出切削过程中各个分力的大小。（2）切削热切削金属时，由于切屑剪切变形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都转变为热，这种热叫切削热。使用切削液时，刀具、工件和切屑上的切削热主要由切削液带走；不用切削液时，切削热主要由切屑、工件和刀具带走或传出，8其中切屑带走的热量最大，传向刀具的热量虽小，但前面和后面上的温度却影响着切削过程和刀具的磨损情况，所以了解切削温度的变化规律是十分必要的。（3）切削温度切削过程中切削区各处的温度是不同的，形成一个温度场切屑和工件的温度分布，这个温度场影响切屑变形、积屑瘤的大小、加工表面质量、加工精度和刀具的磨损等，还影响切削速度的提高。一般说来，切削区的金属经过剪切变形以后成为切屑,随之又进一步与刀具前面发生剧烈摩擦，所以温度场中温度分布的最高点不是在正压力最大的刃口处，而是在前面上距刃口一段距离的地方。切削区的温度分布情况，须用人工热电偶法或红外测温法等测出。用自然热电偶法测出的温度仅是切削区的平均温度。（4）刀具磨损刀具在切削时的磨损是切削热和机械摩擦所产生的物理作用和化学作用的综合结果。刀具磨损表现为在刀具后面上出现的磨损带、缺口和崩刃等，前面上常出现的月牙洼状的磨损，副后面上有时出现的氧化坑和沟纹状磨损等。当这些磨损扩展到一定程度以后就引起刀具失效，不能继续使用。刀具逐渐磨损的因素，通常有磨料磨损、粘着磨损、扩散磨损、氧化磨损、热裂磨损和塑性变形等。在不同的切削条件下，尤其是在不同切削速度的条件下，刀具受上述一种或几种磨损机理的作用。例如，在较低切削速度下，刀具一般都因磨料磨损或粘着磨损而破损；在较高速度下，容易产生扩散磨损、氧化磨损和塑性变形。（5）刀具寿命刀具由开始切削达到刀具寿命判据以前所经过的切削时间叫做刀具寿命(曾称刀具耐用度) ，刀具寿命判据一般采用刀具磨损量的某个预定值，也可以把某一现象的出现作为判据，如振动激化、加工表面粗糙度恶化，断屑不良和崩刃等。达到刀具寿命后，应将刀具重磨、转位或废弃。刀具在废弃前的各次刀具寿命之和称为刀具总寿命。生产中常根据加工条件按最低生产成本或最高生产9率的原则，来确定刀具寿命和拟定工时定额。(6)切削加工性指零件被切削加工成合格品的难易程度。它根据具体加工对象和要求，可用刀具寿命的长短、加工表面质量的好坏、金属切除率的高低、切削功率的大小和断屑的难易程度等作为判据。在生产和实验研究中，常以作为某种材料的切削加工性的指标，它的含义是：当刀具寿命为分钟时，切削该材料所允许的切削速度。越高，表示加工性越好，一般取 60、30、20 或 10 分钟。(7)加工表面质量通常包括表面粗糙度加工硬化残余应力、表面裂纹和金相显微组织变化等。切削加工中影响加工表面质量的因素很多，例如刀具的刀尖圆弧半径进给量和积屑瘤等是影响表面粗糙度的主要因素，刀具的刃口钝圆半径和磨损及切削条件是影响加工硬化和残余应力的主要因素。因此，生产中常通过改变刀具的几何形状和选择合理的切削条件来提高加工表面质量。(8)切削振动切削过程