第7章 工件材料切削加工性_zp.ppt

工件材料切削加工性翟鹏SchoolofMechatronicEngineeringShandongUniversityatWeihai2008.04,第一节切削加工性的概念和衡量指标(Machinability),概念：在一定条件下对工件材料进行切削加工的难易程度。切削加工性是一个相对的概念。衡量指标：加工表面质量刀具耐用度单位切削力断屑性能,1、以加工质量衡量切削加工性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、对特殊精密零件，以已加工表面变质层深度、残余应力及硬化程度来衡量其加工性。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况下，允许的切削速度高低；常用2.2、相同切削条件下，考察刀具耐用度的大小；2.3、相同切削条件下，刀具达到磨钝标准时切除金属的多少。,T的含义：当刀具耐用度为T（min或s）时，切削该种材料所允许的切削速度。60，30，15等，60常用,3、以单位切削力衡量切削加工性能在机床动力不足，或机床-刀具-夹具-工件系统刚性不足时，采用这种衡量指标。4、以断屑性能衡量切削加工性能适用于对断屑性能要求较高的场合。,在生产中，常采用相对加工性来衡量工件材料的切削加工性。,Kv越大，加工性能越好。,第二节影响工件材料切削加工性能的因素及改善切削加工性的途径一、影响工件材料切削加工性的因素物理性能力学性能化学成分金相组织加工条件等,1、工件材料硬度对切削加工性的影响1.1、工件材料常温硬度的影响硬度越高，切削加工性越低。1.2、工件材料高温硬度对切削加工性的影响工件材料高温硬度越高，切削加工性能越低。1.3、工件材料硬质点对对切削加工性的影响硬质点越多，形状越尖锐、分布越广，加工性能越差。,1.4、材料的加工硬化对切削加工性的影响工件材料的加工硬化性能越高，切削加工性越低。某些高锰钢、奥氏体不锈钢切削后的表面硬度，比原始基体高1.42.2倍。2、工件材料的强度对切削加工性能的影响在一般情况下，切削加工性随工件材料强度的提高而降低。合金钢和不锈钢，常温强度和碳素钢相差不大，但高温强度却差别很大，所以其加工性能低于碳素钢。,3、工件材料的塑形与韧性对切削加工性能的影响,为了改善高塑形材料的加工性能，可通过硬化、热处理等措施来降低被加工材料的塑性。,4、工件材料的导热系数对加工性能的影响,导热系数高的材料，加工过程温升高，尺寸控制困难。,5、化学成分对切削加工性的影响5.1钢的化学成分的影响：Cr,Ni,V,Mo,W,Mn等元素，可提高钢的强度和硬度；Si,Al等元素，容易形成氧化铝和氧化硅等硬质点，使刀具磨损加剧；S,Se(硒),Pb,Bi(铋),P(磷)等元素，能略略降低钢的强度，同时又能降低钢的塑性，可改善切削加工性能。S能引起钢的红脆性，但若适当提高Mn的含量，可以避免红脆性。MnS,FeS质地软，成为切削塑性变形区中的应力集中源，易断屑，并减小积屑瘤的形成。,磷能降低铁素体的塑形，使切屑易于折断。依此原理，研制除了含硫、硒、铅、铋、钙的易切钢，其中含硫的易切钢用的较多。5.2铸铁的化学成分的影响铸铁的化学成分的影响，主要取决于这些元素对碳的石墨化作用。碳以石墨化形式存在时，铸铁的切削加工性高。硅、铝、镍、铜、钛等，能促进碳的石墨化，提高铸铁的加工性能；,碳化铁含量高时，铸铁的切削加工性低。铬（ge,Cr）、钒、锰、钼、钴、磷、硫等，阻碍碳的石墨化，降低铸铁的加工性。6、金属组织对切削加工性的影响6.1、钢的不同组织对切削性能的影响：钢的金相组织有铁素体、渗碳体、珠光体、索氏体、托氏体、奥氏体、马氏体等。,铁素体塑性高，珠光体塑性低。钢中含有大部分铁素体，少部分珠光体时，切削速度及刀具耐用度都较高；纯铁（含碳量极低）是完全的铁素体，切削加工性低；珠光体呈片状时，刀具磨损较大；片状珠光体球化处理后，组织为“连续分布的铁素体+分散的碳化物颗粒”，刀具的磨损小，耐用度高；切削马氏体、回火马氏体和索氏体等硬度较高的组织时，刀具磨损较大；可用热处理的方法，通过改变金属组织来改善金属的切削加工性。,6.2、铸铁的金属组织对切削加工性的影响铸铁按金属组织来分，可分为：白口铁、麻口铁、珠光体灰铸铁、灰铸铁、铁素体灰铸铁、各种球墨铸铁（包括可锻铸铁）。铸铁的相对加工性，见表7-37、切削条件对切削加工性的影响主要是切削速度的影响。,二、改善工件材料切削加工性的途径通过热处理改变材料的组织和机械性能1、高碳钢和工具钢：球化退火2、热轧状态的中碳钢：正火、退火3、低碳钢：冷拔或正火4、马氏体不锈钢：调质处理5、铸铁件：退火处理调整材料的化学成分在钢中适当添加一些元素，如硫、钙、铅等，使钢的切削加工性得到显著改善，这样的钢叫“易切钢”。,第三节难加工材料的切削加工性,难加工金属材料的切削加工性难加工的原因一般是以下几个方面：高硬度；高强度；高塑性和高韧性；低塑性和高脆性；低导热性；有大量微观硬质点或硬夹杂物；化学性质活泼。这些特性一般都能使切削过程中的切削力加大，切削温度升高，刀具磨损加剧，刀具使用寿命缩短；有时还将使已加工表面质量恶化，切屑难以控制；最终则使加工效率和加工质量降低，加工成本提高。,典型难加工材料的加工,高强钢和超高强钢HRC35-50、强度超过1000MPa，如：连杆、曲轴、叶片、炮管等30CrMnSi、20CrMnTi等切削力大、温度高、刀具磨损快、断屑难高强度钢在退火状态下加工比较容易刀具：YT类、TiC基、陶瓷、涂层刀具等。,典型难加工材料的加工,高锰钢含Mn量11-18%，如：铁轨、挖掘机铲斗、履带等高锰奥氏体钢，塑性变形大、耐磨性好高锰钢线膨胀系数大，影响加工精度加工硬化严重、切削力大、温度高、断屑难：180220HBS450500HBS导热性差,为45号钢的1/4刀具：YW类、陶瓷、涂层刀具等。P126页5项措施,典型难加工材料的加工,淬火钢（白口铸铁）硬度高，大于HRC50，工具钢、模具钢等一般磨削加工切削力大、温度高、刀具磨损块刀具：YW类、陶瓷、超细晶粒合金、涂层刀具等。,纯金属的加工常用的纯金属如紫铜、纯铝、纯铁等，其硬度、强度都较低，导热系数大，对切削加工有利；但其塑性很高，切屑变形大，刀屑接触长度大并容易发生冷焊，生成积屑瘤，因此切削力较大，不容易获得好的已加工表面质量，断屑困难。此外，它们的线膨胀系数较大，精加工时不易控制工件的加工精度。,不锈钢和高温合金的切削加工性1、不锈钢按金相组织分，有铁素体、马氏体、奥氏体三种。铁素体、马氏体不锈钢的成分以铬为主，经常在淬火回火或退火状态下使用，综合机械性能适中，切削加工一般不太难。奥氏体不锈钢的成分以铬、镍等元素为主，淬火后呈奥氏体组织，切削加工性比较差。2、高温合金中含有许多高熔点合金元素，如铁、钛、铬、钴、镍、钒、钨、钼等，它们与其他合金元素构成纯度高、组织致密的奥氏体合金。(1)强度较高(2)硬度较高(3)导热系数小(4)合金中的高硬度化合物构成硬质点(5)在中、低切削速度下，易与刀具发生冷焊,钛合金的切削加工性钛合金的切削加工性也很差，刀具磨损快，刀具耐用度低，其原因为:(1)加工钛合金时，剪切角很大，刀屑接触长度短；(2)导热系数极小；(3)已加工表面经常出现硬而脆的外皮；(4)弹性模量小，已加工表面回弹量大，加剧了对后刀面的摩擦。,非金属材料的加工,塑料陶瓷复合材料石材橡胶等,干切削(Drycutting),干切削的概念干切削加工就是在没有切削液的条件下创造具有与湿切相同活相近的切削条件进行加工。切削液的主要作用润滑作用、冷却作用、冲洗作用、防锈作用,补充知识,切削液的负面作用切削液的制造、使用、处理及排放需占用和消耗大量的能源和资源，使用切削液的费用约占零件制造成本的16%。使用切削液时产生的油雾、烟雾、化学微粒等会造成严重的环境污染和危害，如容易引起呼吸道、皮肤及神经性疾病甚至癌症。加工过程完成后，对零件及加工表面形成的切削液附着物进行清洗和高温蒸化处理时，还会产生“二次污染”效应。,实现干切削的意义环境污染已成为全世界共同关注的焦点，实现人类的可持续发展是21世纪的必然趋势。在机械制造业实施清洁化生产，走可持续发展道路势在必行。采用干切削技术是一种环境效益和经济效益俱佳的工艺选择。可省去切削液的管理系统，节省切削废液的处理费用，还避免了环境污染，符合清洁生产模式，实现绿色加工。降低加工成本、减小资源消耗。,干切削的特点形成的切屑干净、清洁、无污染、易于回收和处理。省去与切削液有关的传输、过滤、回收等装置及费用。节省了切削液及切屑处理费用。不产生环境污染及与切削液有关的安全与质量事故。摩擦增大、切削热和切削温度增高。刀屑间摩擦状态及磨损机理产生变化，刀具磨损加快。切屑难于折断，切屑的收集和排除较为困难。加工表面质量恶化。,实现干切削的途径干切削时，由于缺少切削液的润滑和冷却作用，刀具工件和刀具切屑之间的摩擦增加，切削力增大，切削热大量增加，切削温度急剧上升，引起刀具耐用度下降，加工表面质量易于恶化。目前实现干切削的主要途径有：采用先进的刀具材料，如：CBN、自润滑刀具、新型陶瓷刀具、纳米复合涂层刀具等。优化刀具几何参数与结构采用准干切削(压缩空气、润滑液、混合、气化、喷射)采用硬切削、机床应具有吸尘、排屑装置,干切削对刀具的要求刀具应具有高的耐热、耐高温、耐磨性能刀具应具有低的摩擦系数刀具几何参数设计合理,干切削对机床的要求切削热容易散发（散热装置）切屑容易排出（吸尘、排屑装置）高刚度、高转速、大功率,干切削对工艺的要求工件材料的选择刀具材料的选择工艺方法的选择工艺参数的选择,干切削理论清洁化生产理论金属切削层软化理论低温脆性理论强化换热理论高温摩擦、磨损理论自润滑理论,干切削工艺方法完全干切削准（亚）干切削（最小润滑技术MQL）风冷干切削液氮冷却干切削高速干切削硬态切削,干切削工艺方法完全干切削不加任何辅助冷却介质，依靠刀具、机床、工件材料和工艺参数之间的合理选择、优化，而进行的切削。,完全干切削,干切削工艺方法准（亚）干切削（最小润滑技术MQL）将压缩空气与少量的切削液混合汽化后，再喷射到工件的加工部位，使刀具切屑接触区得到冷却和润滑。MQL技术可大大较小刀屑及刀工表面间的摩擦。从而起到降低切削温度、减小刀具磨损、提高加工表面质量的目的。,干切削工艺方法风冷干切削空气冷却系统,干切削工艺方法液氮冷却干切削,硬切削概念(Hardcutting)硬切削是指对硬度在HRC50以上的材料进行的切削加工，在一定程度上可取代磨削加工，实现“以车代磨”。硬切削技术的发展在很大程度上是得益于超硬刀具材料的出现及发展，可用于硬切削的超硬刀具材料包括陶瓷、立方氮化硼、聚晶立方氮化硼及聚晶金刚石等。,硬切削领域主要涉及工模具、轴承、齿轮、机床、工程机械、汽车制造业及航空航天工业等。模具制造业的大量生产实际表明，硬切削技术可显著提高生产率及加工表面质量，减少后续工序，降低生产成本。,硬切削对刀具的要求较高的硬度和耐磨性。如金刚石显微硬度可达HV10000，CBN由于晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近，其显微硬度也可达HV80009000，陶瓷刀具硬度可达HRA9296。很高的热稳定性。金刚石的耐热性为700800，PCBN的耐热性可达12001500，陶瓷刀具的耐热性一般为11001200。,硬切削对刀具的要求优良的化学稳定性。PCBN的化学惰性特别大，在12001300时也不与铁系材料发生化学反应，与碳在2000时才发生反应。良好的导热性。硬切削铁族金属材料中应用最多的是PCBN刀具和陶瓷刀具。,2020/5/29,翟鹏,53,加热切削法用等离子弧对靠近刀尖处的被切削金属加热，使硬度、强度降低，提高切削效果。粗加工时，目前也有人使用15V，100500A的电流进行电加热切削法和激光辅助切削法。,2020/5/29,翟鹏,54,低温切削法用液氮（-180）或液体CO2（-76）作为切削液降低切削区温度，加工钢时切削温度降至300时积屑瘤最大，实际前角最大，切削力明显降低，而切削温度降至500时，积屑瘤消失，得到小的粗糙度和高的刀具耐用度。,2020/5/29,翟鹏,55,振动切削法用振动发生器使刀具在切削速度方向产生高频(10KHZ)或低频(300HZ)振动，使刀屑间摩擦系数和切削力降低，切屑变形及切削温度降低，积屑瘤消失，硬化减轻，能获得好的已加工表面质量。由于振动产生冲击，要求刀具