第7章 工件材料切削加工性_zp

1、 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏1工件材料切削加工性工件材料切削加工性翟翟 鹏鹏 School of Mechatronic EngineeringShandong University at Weihai2008.04 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏2第 一 节第 一 节 切 削 加 工 性 的 概 念 和 衡 量 指 标切 削 加 工 性 的 概 念 和 衡 量 指 标 (Machinability)n 概念概念：在一定条件下对工件材料进行切削加工的难易：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。程度。切削加工性是

2、一个相对的概念。n 衡量指标：衡量指标： 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏3 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏4 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏5 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏6 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏7 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏8一、影响工件材料切削加工性的因素一、影响工件材料切削加工性的因素 物理性能物理性能 力学性能力学性能 化学成分化学成分 金相组织金相组织 加工条件等加工条件等 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏9 第七章

3、工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏10 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏11 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏12 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏13 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏14 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏15 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏16 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏17 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏18二、改善工件材料切削加工性的途径二、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

4、和机械性能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：、高碳钢和工具钢： 球化退火球化退火 2、热轧状态的中碳钢：、热轧状态的中碳钢： 正火、退火正火、退火 3、低碳钢：、低碳钢： 冷拔或正火冷拔或正火 4、马氏体不锈钢：、马氏体不锈钢： 调质处理调质处理 5、铸铁件：、铸铁件： 退火处理退火处理调整材料的化学成分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，这样的钢叫加工性得到显著改善，这样的钢叫“易切钢易切钢”。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏19难加工金属材料的

5、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：难加工的原因一般是以下几个方面：高硬度；高强度高硬度；高强度；高塑性和高韧性；低塑性和高脆性；低导热性；有；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。大量微观硬质点或硬夹杂物；化学性质活泼。这些特性一般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，加工成本提屑难

6、以控制；最终则使加工效率和加工质量降低，加工成本提高。高。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏20高强钢和超高强钢高强钢和超高强钢HRC35-50、强度超过、强度超过1000MPa，如：连杆、曲轴、叶，如：连杆、曲轴、叶片、炮管等片、炮管等30CrMnSi、20CrMnTi等等 切削力大、温度高、刀具磨损快、断屑难切削力大、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高强度钢在退火状态下加工比较容易 刀具：刀具：YT类、类、TiC基、陶瓷、涂层刀具等。基、陶瓷、涂层刀具等。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏21典型难加工材料的加工典型难加工

7、材料的加工高锰钢高锰钢n 含含Mn量量11-18%，如：铁轨、挖掘机铲斗、履带等，如：铁轨、挖掘机铲斗、履带等n 高锰奥氏体钢，塑性变形大、耐磨性好高锰奥氏体钢，塑性变形大、耐磨性好n 高锰钢线膨胀系数大，影响加工精度高锰钢线膨胀系数大，影响加工精度n 加工硬化严重、切削力大、温度高、断屑难：加工硬化严重、切削力大、温度高、断屑难：180220HBS450500HBSn 导热性差导热性差,为为45号钢的号钢的1/4n 刀具：刀具：YW类、陶瓷、涂层刀具等。类、陶瓷、涂层刀具等。n P126页页5项措施项措施 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏22典型难加工材料的加工典型难加工

8、材料的加工淬火钢（白口铸铁）淬火钢（白口铸铁）n 硬度高，大于硬度高，大于HRC50，工具钢、模具钢等，工具钢、模具钢等n 一般磨削加工一般磨削加工n 切削力大、温度高、刀具磨损块切削力大、温度高、刀具磨损块n 刀具：刀具：YW类、陶瓷、超细晶粒合金、涂层刀具等。类、陶瓷、超细晶粒合金、涂层刀具等。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏23纯金属的加工纯金属的加工 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，刀大

9、，刀屑接触长度大并容易发生冷焊，生成积屑瘤，因此切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，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。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏24不锈钢和高温合金的切削加工性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。、不锈钢按金相组织分，有铁素体、马氏体、奥氏体三种。铁素体、马氏体不锈钢铁素体、马氏体不锈钢的成分以铬为主，经常在淬

10、火的成分以铬为主，经常在淬火回火或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。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。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、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、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。致密的奥氏体合金。 (1)强度较高强度较高 (2)硬度较高硬度较高

11、(3)导热系数小导热系数小 (4)合金中的高硬度化合物构成硬质点合金中的高硬度化合物构成硬质点 (5)在中、低切削速度下在中、低切削速度下，易与刀具发生冷焊，易与刀具发生冷焊 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏25钛合金的切削加工性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，其原因为:(1)加工钛合金时，剪切角很大，刀屑接触长度短；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；导热系数极小；(3)已加工表面经常出现硬而脆的外皮；已加工表面经常出现硬而脆的外皮；(4)弹性模量

12、小，已加工表面回弹量大，加剧了对后刀面的弹性模量小，已加工表面回弹量大，加剧了对后刀面的摩擦。摩擦。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏26非金属材料的加工非金属材料的加工n 塑料塑料n 陶瓷陶瓷n 复合材料复合材料n 石材石材n 橡胶等橡胶等 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏27干切削干切削 (Dry cutting)p 干切削的概念干切削的概念 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。有与湿切相同活相近的切削条件进行加工。p 切削液的主要作用切削液的主要作用 润滑作用、冷却作

13、用、冲洗作用、防锈作用润滑作用、冷却作用、冲洗作用、防锈作用 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏28 切削液的负面作用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，使用切削液的源，使用切削液的费用费用约占零件制造成本的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。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

14、表面形成的切削液附着物进行清加工过程完成后，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，还会产生洗和高温蒸化处理时，还会产生“二次污染二次污染”效应。效应。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏29 实现干切削的意义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可持续发展是是21世纪的必然趋势。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用干切削技术是一种环境效益和经济效益环境效益和经济效益

15、俱佳的工艺选择。俱佳的工艺选择。可省去可省去切削液的管理系统切削液的管理系统，节省切削废液的处理费用，还避免了，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，环境污染，符合清洁生产模式，实现绿色加工实现绿色加工。降低加工降低加工成本成本、减小资源消耗。、减小资源消耗。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏30 干切削的特点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。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。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。节省了切削液及切屑

16、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。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。摩擦增大、切削热和切削温度增高。刀刀屑间摩擦状态及磨损机理产生变化，刀具磨损加快。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。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。加工表面质量恶化。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏31 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏32 实现干切削的途径实现干切削的途径n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干切削时

17、，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。，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：目前实现干切削的主要途径有：采用先进的刀具材料，如：采用先进的刀具材料，如：CBN、自润滑刀具自润滑刀具、新型陶瓷刀具、纳新型陶瓷刀具、纳米复合涂层刀具等。米复合涂层刀具等。优化刀具几何参数与结构优化刀具几何参数与结构采用准干切削采用准干切削(压缩空气压缩空气、润滑液润滑液、混合混合、气化气化、喷射喷射)采用硬

18、切削、机床应具有吸尘采用硬切削、机床应具有吸尘、排屑装置排屑装置 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏33 干切削对刀具的要求干切削对刀具的要求p 刀具应具有高的耐热、耐高温、耐磨性能刀具应具有高的耐热、耐高温、耐磨性能p 刀具应具有低的摩擦系数刀具应具有低的摩擦系数p 刀具几何参数设计合理刀具几何参数设计合理 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏34 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏35 干切削对机床的要求干切削对机床的要求p 切削热容易散发（散热装置）切削热容易散发（散热装置）p 切屑容易排出（吸尘、排屑装置）切屑容易排出（吸尘、排屑装置

19、）p 高刚度、高转速、大功率高刚度、高转速、大功率 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏36 干切削对工艺的要求干切削对工艺的要求p 工件材料的选择工件材料的选择p 刀具材料的选择刀具材料的选择p 工艺方法的选择工艺方法的选择p 工艺参数的选择工艺参数的选择 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏37 干切削理论干切削理论p 清洁化生产理论清洁化生产理论p 金属切削层软化理论金属切削层软化理论p 低温脆性理论低温脆性理论p 强化换热理论强化换热理论p 高温摩擦、磨损理论高温摩擦、磨损理论p 自润滑理论自润滑理论 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏

20、38 干切削工艺方法干切削工艺方法p 完全干切削完全干切削p 准（亚）干切削（最小润滑技术准（亚）干切削（最小润滑技术MQL）p 风冷干切削风冷干切削p 液氮冷却干切削液氮冷却干切削p 高速干切削高速干切削p 硬态切削硬态切削 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏39 干切削工艺方法干切削工艺方法p 完全干切削完全干切削 不加任何辅助冷却介质，依靠刀具、机床、工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，而件材料和工艺参数之间的合理选择、优化，而进行的切削。进行的切削。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏40p 完全干切削完全

21、干切削 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏41 干切削工艺方法干切削工艺方法p 准（亚）干切削（最小润滑技术准（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，使刀具的加工部位，使刀具切屑接触区得到冷却和润滑。切屑接触区得到冷却和润滑。 MQL技术可大大较小刀技术可大大较小刀屑及刀屑及刀工表面间的摩擦。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。质量的目的。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14

22、翟鹏翟鹏42 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏43 干切削工艺方法干切削工艺方法p 风冷干切削风冷干切削 空气冷却系统空气冷却系统 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏44 干切削工艺方法干切削工艺方法p 液氮冷却干切削液氮冷却干切削 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏45 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏46 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏47硬切削概念硬切削概念 (Hard cutting)p 硬切削是指对硬度在硬切削是指对硬度在HRC50以上的材料进行的切削加工以上的材料进行的切削加工，在一定

23、程度上可取代磨削加工，实现，在一定程度上可取代磨削加工，实现“以车代磨以车代磨”。p 硬切削技术的发展在很大程度上是得益于超硬刀具材料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、立方氮化硼、聚晶立方氮化硼及聚晶金刚石等。聚晶立方氮化硼及聚晶金刚石等。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏48p 硬切削领域主要涉及工模具、轴承、齿轮、机床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。、工程机械、汽车制造业及航空航天工业等。p 模具制

24、造业的大量生产实际表明，硬切削技术可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。，降低生产成本。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏49硬切削对刀具的要求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，其显微硬度也可达格常数相近，其显微硬度也可达HV8000 9000，陶瓷刀，陶瓷刀具硬度可达具硬度可达HRA9296 很高的热稳定性。金刚石的耐热性为很高的热稳定性。金刚石的耐热性为700800，PCBN的耐热性可达的耐热性可达12001500，陶瓷刀具的耐热性一般为，陶瓷刀具的耐热性一般为11001200。 第七章 工件材料切削加工性2022/1/14翟鹏翟鹏50硬切削对刀具的要求硬切削对刀具的要求 优良的化学稳定性。优良的化学稳定性。PCBN的化学惰性特别大，在的化学惰