机械制造技术基础 第2章金属切削条件的合理选择

第2章金属切削条件的合理选择

Selectingofthecuttingcondition机械制造技术基础

2.1

工件材料的切削加工性MachiningabilityforWorkpieceMaterial12023/3/302.1.1材料切削加工性概念和指标

工件材料的切削加工性是指材料在一定条件下被切削加工成合格零件的难易程度。材料切削加工性的概念考虑生产率和耐用度的表示方法

1）一定生产率条件下，加工这种材料时刀具耐用度；

2）一定刀具耐用度前提下，加工这种材料所允许的切削速度；

3）相同的切削条件下，刀具达到磨钝标准时所能切除工件材料的体积。考虑已加工表面质量的表示方法Ra

考虑切削力或切削功率的表示方法考虑是否易于断屑的表示方法材料切削加工性的不同表示方法22023/3/30材料相对加工性的概念

材料切削加工性指标通常用vT表示，vT是指耐用度为T秒（或分）时，切削某种材料所允许的切削速度。vT越高，表示材料的切削加工性越好。

通常取T＝60分（3600秒），vT写作v60（v3600）；对于一些特别难加工的材料，也可取T＝30分（1800秒），vT写作v30（v1800）。

如果以45钢的v60（v3600）作为基准，写作（v60）j；而把其它各种材料的v60同它相比，这个比值Kr称为材料的相对加工性。即：2.1材料切削加工性概念和指标

（2-1）32023/3/30加工性等级表2-1材料相对加工性等级材料名称及种类相对加工性Kr代表性材料1很易切削材料一般有色金属＞3.0铜铝合金，铝铜合金，铝镁合金2容易切削材料易切削钢2.5～3退火l5Cr，σb＝0.373～o.441GPa自动机钢，σb＝0.393～0.491GPa3较易切削钢1.6～2.5正火30钢，σb＝0.441～0.549GPa4普通材料一般钢、铸铁1.0～1.645钢，灰铸铁5稍难切削材料0.65～1.02Crl3，调质σb＝0.834GPa85，钢σb＝0.883GPa6难加工材料较难切削材料0.5～0.6545Cr，调质σb＝1.03GPa65Mn，调质σb＝0.932～0.9817难切削材料0.15～0.550CrV,调质；1Crl8Ni9Ti,钛合金8很难切削材料＜0.15某些钛合金，铸造镍基高温合金2.1材料切削加工性概念和指标

42023/3/302.1.2材料性能对切削加工性影响

工件材料韧性对切削加工性的影响材料力学性能对切削加工性的影响◆工件材料硬度的影响1）工件材料常温硬度对切削加工性影响：工件材料硬度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快。2）工件材料高温硬度的影响：工件材料高温硬度越高，加工性越差。这是因为切削温度对切削过程的有利影响（软化）对高温时硬度高的材料不起作用。3）金属材料中硬质点对加工性的影响：金属中硬质点越多，形状越尖锐、分布越广，则材料的加工性越差。4）材料的加工硬化对切削加工性的影响：加工硬化倾向性越严重，切削加工性越差。52023/3/302.1.2材料性能对切削加工性影响

工件材料韧性对切削加工性的影响强度越高的材料，产生的切削力越大，切削时消耗的功率越多，切削温度亦越高，刀具容易磨损。因此，在一般情况下，加工性随工件材料强度提高而降低。◆

工件材料强度的影响◆工件材料塑性的影响

材料塑性大，切削加工性差：①切削力大；②刀具容易产生粘结和扩散磨损；③低速切削时易出现刀瘤与鳞刺；④断屑困难。但材料塑性太小时，切屑与前刀面的接触变得很短，切削力、切削热集中在切削刃附近，使刀具磨损严重，故切削性也差。62023/3/30工件材料韧性对切削加工性的影响◆工件材料韧性的影响韧性大的材料，切削加工性较差：在断裂前吸收的能量多，切削功率消耗多；且断屑困难。◆工件材料弹性模量的影响材料的弹性模量E是衡量材料刚度（抵抗弹性变形的性能）的指标，E值越大，材料刚度越大，切削加工性越差。★材料的切削加工性是上述这些机械性能（硬度、强度、塑性、韧性、弹性模量等）综合影响的结果。100图2-1碳钢硬度与可切削性的关系0100200300400500255075可切削性布氏硬度（HB）2.1.2材料性能对切削加工性影响

72023/3/30工件材料韧性对切削加工性的影响材料物理化学性能对切削加工性的影响如镁合金易燃烧，钛合金切屑易形成硬脆化合物等，不利于切削进行。◆工件材料导热系数的影响工件材料导热系数低，切削温度高，刀具易磨损，切削加工性差。金属材料导热系数大小顺序：纯金属、有色金属、碳结构钢、铸铁、低合金结构钢、合金结构钢、工具钢、耐热钢、不锈钢。◆工件材料物理化学反应的影响2.1.2材料性能对切削加工性影响

82023/3/30表2-2工件材料加工性分级表切削加工易切削较易切削较难切围难切削等级代号01234567899a9b硬度HB≤50＞50～100＞100～150＞150～200＞200～250＞250～300＞300～350＞350～400＞400～480＞480～635＞635

HRC

＞14～24.8＞24.8～32.3＞32.3～38.1＞38.1～43＞43～50＞50～60＞60

抗拉强度Σb（GPa）≤0.196＞0.196～0.441＞0.441～0.588＞0.588～0.784＞0.784～0.98＞0.98～1.176＞1.176～1.372＞1.372～l.568＞1.658～1.764＞1.764～1.96＞1.96～2.45＞2.45延伸率δ(％)≤10＞10～15＞15～20＞20～25＞25～30＞30～35＞35～40＞40～50＞50～60＞60～100＞100

冲击值αk(kJ/m2)≤196＞196～392＞392～588＞588～784＞784～980＞980～1372＞1372～1764＞1764～1962＞1962～2450＞2450～2940＞2940～3920

导热系数k(W/m·K)418.68～293.08＜293.08～167.47＜167.47～83.74＜83.47～62.80＜62.80～41.87＜41.87～33.5＜33.5～25.12＜25.12～16.75＜16.75～8.37＜8.37

2.1.2材料性能对切削加工性影响

92023/3/30常用金属材料的切削加工性◆有色金属有色金属（如铝及铝合金，铜及铜合金等）通常属于易切削材料。特点：硬度、强度低，导热性好，易切削。注：1、纯铜和黄铜——塑性和韧性大，断屑差，粘屑严重，加工性差；切削时选用大前角加断屑措施。2、铅黄铜、锡青铜——硬度、强度高→脆性大（铅的存在），切削变形小，得到的崩碎切屑。加工性好v≤400m/min2.1.3常用金属材料的切削加工性102023/3/30常用金属材料的切削加工性◆铸铁2.1.3常用金属材料的切削加工性

铸铁的加工性一般较碳钢好。比较各种铸铁加工性的好坏，主要取决于碳的存在形式、基体组织状态、金属组织成分和热处理的影响。例如：灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁中，碳分别呈片状、团絮状和球状，因此它们的强度依次提高，加工性较好。112023/3/30常用金属材料的切削加工性◆碳素钢普通碳素钢的切削加工性主要取决于钢中碳的含量。低碳钢硬度低、塑性和韧性高，切削变形大，切削温度高，断屑困难，故加工性较差。高碳钢的硬度高、塑性低、导热性差，故切削力大，切削温度高，刀具耐用度低，加工性也差。相对而言，中碳钢的切削加工性较好。，在碳素钢中加入一定合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使钢的机械性能提高，但加工性也随着变差。◆合金工具钢2.1.3常用金属材料的切削加工性122023/3/302.1.3常用金属材料的切削加工性钢种钢号热处理方式σb(Gpa)高速钢车刀/T=60硬质合金车刀/T=90碳素钢30正火0.411-0.5392.02.045退火调质0.588-0.6860.784-0.8331.250.831.250.83铬钼钢30CrMo正火调质0.686-0.7840.822-0.9801.00.771.200.73锰钢50Mn退火调质0.686-0.7840.883-0.9310.880.700.880.70铬钢45Cr退火调质0.7841.0391.00.630.930.60铬锰硅钢30GrMnSi正火调质0.637-0.7270.980-1.0781.050.551.10.6铬钒钢50GrV退火调质0.8221.274-1.3720.83--0.830.40表2-4几种常用结构钢车削时的相对加工性kr132023/3/30已加工表面加工硬化↑和较大的残余拉应力↑

，加工精度↓。新的工程材料例如航天、航空材料，海底探测，核电等材料日益增多普遍特点1、强度高，特别是高温强度及抗蠕变强度；2、抗高温氧化能力好；3、耐低温性好等。性能的获得——是在材料中加入了合金元素定义：通常把高锰钢、高强度钢、不锈钢、高温合金、钛合金、难熔金属及其合金、喷涂材料等称为难切削材料。切削性变差的原因：形成了各种合金渗碳体、合金碳化物、奥氏体或马氏体等，→材料的硬度↑、强度↑

、韧度↑

、耐磨性↑

、高温强度和硬度↑。切削加工特点切削力大切削温度高刀具磨损剧烈等造成后果→切削性变差◆难切削材料142023/3/30，表2-5难切削金属材料的切削加工性比较（恶化顺序1→2→3→4）影响切削加工性的因素难切削金属材料（淬火或析出硬化状态）高锰钢高强度钢不锈钢高温合金低合金高合金马氏体时效钢沉淀硬化型奥氏体型马氏体型索氏体型铁基镍基钴基钛合金硬度1～23～42～341～31～22～3122～322高温强度11221l～2112～3332微观硬质点1～212～3111112～3321与刀具亲和性111112222334导热性422233223～43～444加工硬化性4221232133～432粘附件21111～231133～421相对切削加工性0.2～0.40.2～0.50.2～0.450.1～0.250.3～0.40.5～0.60.5～0.70.6～0.80.15～0.30.8～0.20.05～0.150.25～0.382.1.3常用金属材料的切削加工性152023/3/302.1.4

改善切削加工性的途径调整材料的化学成分钢中加入易切元素→易切削钢加入元素：硫、铅、钙、硒、碲、铋、钼、氮等元素作用：硫、铅、钙、硒改善切削性能，硫、铅应用最广特点：以夹杂状分布在基体→力学性能下降，成为应立集中源→易断屑，减轻刀磨损，提高加工质量。改善材料性能表2-6易切元素对断屑和润滑的影响元素硫铅硒碲铋对断屑影响大较小大很大较小对润滑影响大很大大较小很大162023/3/302.1.4

改善切削加工性的途径进行适当的热处理同样材料，金相组织不同，切削加工性不同。热处理可改变金相组织和力学性能（1）低中碳钢正火、退火改善切削加工性（2）高碳钢、工具钢球化退火改善切削加工性（3）合金钢（特别是中碳以上）需退火改善材料性能表2-7碳钢正火、退火的硬度值

含碳量热处理结构钢工具钢≤0.250.25-0.650.65-0.850.7-1.3（球化）退火≤150HBS150-220HBS220-229HBS187-217HBS正火≤150HBS150-228HBS230-280HBS229-341HBS172023/3/302.1.4

改善切削加工性的途径合适的刀具材料和切削用量（1）根据被加工材料的性能、加工方法、加工要求选择合适的刀具材料。例高温合金的加工，宜选用高性能高速钢刀具、钨钴类钨钛鈮类硬质合金刀具，不选用YTi类硬质合金（2）刀具几何参数、切削用量对能否切削加工，提高刀具耐用度、加工表面质量很重要。（3）自动加工中，注意断屑，可提高刀具耐用度和已加工表面质量改善切削加工条件182023/3/302.1.4

改善切削加工性的途径合适的设备和加工方法（难加工材料）（1）机床的功率、刚度足够（2）切削过程中机动进给均匀、不中途停车例1）高硬度材料磨削比切削容易加工

2）塑性大的材料精细车比磨削加工质量高改善切削加工条件192023/3/302.1.4

改善切削加工性的途径选择切削加工性好的材料状态毛坯获得方法不同，材料状态不同。例1）低碳钢因塑性大加工性差，可选冷拔钢棒料可降低塑性，改善加工性。2）锻造的毛坯余量不均匀且有硬皮，加工性差可以改用热轧钢，则切削加工性得到改善。改善切削加工条件202023/3/30第2章金属切削条件的合理选择

Selectingofthecuttingcondition机械制造技术基础

2.2

切削条件的合理选择SelectingforCuttingFactor212023/3/302.2.1

刀具材料的合理选择刀具材料作用切削性——刀具的耐用度和生产率工艺性——刀具的制造和刃磨常用刀具材料高速钢，硬质合金，陶瓷，金刚石。表2-8、2-9、2-10。

222023/3/302.2.2

刀具几何参数的合理选择1、刀具的切削性能刀具材料的性能刀具几何参数

取决于2、刀具几何参数的选择工件的材料刀具的材料刀具的类型其它（切削用量、工艺系统刚性、机床功率等）综合考虑的因素问题232023/3/302.2.2刀具几何参数的合理选择问题3、合理选择刀具几何参数的目的、意义目的：充分发挥刀具的切削性能、提高刀具的耐用度意义：几何参数合理与否关系重大①切削力，②切削热及分布，③刀具磨损，④加工系统的振动和加工质量，⑤切屑的卷曲与流向4、刀具几何参数的分为角度参数、形状参数5、如何选择刀具的几何参数在保证加工质量的前提下，能获得最高刀具耐用度，达到提高切削效率，降低生产成本的刀具几何参数。242023/3/30前角的选择2.2.2

刀具几何参数的合理选择前角的作用规律1）增大前角的正效应切屑变形切屑摩擦切削力切削温度刀具磨损刀具耐用度抑制积屑瘤、鳞刺产生减轻切削振动同时加工质量刀具破损、磨损2）增大前角的负效应切削刃、刀尖强度切屑变形小，不利于散热切削温度刀头散热、容热差崩刃失效252023/3/302.2.2

刀具几何参数的合理选择结论：增减前角各有利弊，在一定条件下，有一合理前角值。前角的选择262023/3/302.2.2

刀具几何参数的合理选择前角的选择合理前角选择原则1）刀具材料抗弯强度、韧性较低，工件材料强度、硬度高，切削用量较大的粗加工，断续切削、有冲击载荷；→宜选用较小的前角或采用负前角（确保刀具强度）2）加工易变形的工件材料，工艺系统刚性差、易引起振动，机床功率不足；→宜选用较大的前角（以减小切削力）272023/3/302.2.2刀具几何参数的合理选择前角的选择合理前角选择原则3）成形刀具，前角影响刃形的刀具，自动化加工中不宜频繁换刀；→适当减小前角（确保加工稳定，刀具耐用度）4）一般加工条件，可根据试验对比、查表法选择前角。282023/3/302.2.2刀具几何参数的合理选择后角的选择后角的作用规律1）增大后角的效应切削刃锋利，摩擦切削力切削温度切削刃、刀头强度降低减小散热面积、热容体积同时已加工质量刀具磨损2）刀具的耐用度在一定VB条件下，刀具耐用度NB→零件尺寸精度下降292023/3/302.2.2刀具几何参数的合理选择后角的选择后角的作用规律在一定VB条件下，刀具重磨时磨削量→刀具材料费、刃磨费↑3）对重磨刀具的影响后角的选择原则1）要提高刀具耐用度，后角适当减小（如前角较大时，不宜减小后角）2）当以尺寸要求为主（精加工），应减小后角，提高径向耐用度NB

302023/3/302.2.2刀具几何参数的合理选择后角的选择后角的选择原则3）以表面质量为主时，后角应加大（以减轻刀-工摩擦）4）一般条件下，宜加大后角，提高刀具耐用度VB；重磨刀具，则减小后角降低费用。312023/3/302.2.2刀具几何参数的合理选择主偏角的选择作用规律1）kr↓→刀具耐用度↑原因：①ap、f一定时，kr↓→ac↓、

aw↑、刀刃长↑②kr↓→刀尖角↑，散热好、刀尖强度提高。③切入时，刀刃先接触工件保护了刀具2）kr↓→切深抗力↑，工件变形↑→加工精度↓；同时，刀尖与工件摩擦加剧、易引起系统振动→刀具耐用度↓。322023/3/302.2.2刀具几何参数的合理选择主偏角的选择选择原则1）考虑系统刚性①刚性好时，kr小②刚性差时，kr大2）工件形状车阶梯轴kr=90°镗盲孔kr﹥90°3）考虑断屑kr小不利于断屑，自动加工，kr大。332023/3/302.2.2刀具几何参数的合理选择副偏角的选择作用规律——形成以加工表面kr′↓→刀痕的残留面积小，Ra↓；刀尖强度↑，散热好；kr′过小，副切削刃长度↑，摩擦↑，易振动Ra↓。选择原则系统刚性好，kr′取小值（精车5°～

15°，粗车10°～

15°）切断刀、切槽刀，

kr′=1°～3°342023/3/302.2.2刀具几何参数的合理选择刃倾角的选择作用规律1）影响切削刃的锋利性，斜角切削时刀具的实际前角（后角）均增大；2）影响刀头强度和散热；3）影响切削力的大小和方向，一般刃倾角为正，切削力降低，为负增大（Fp↑）；4）影响切屑流出方向选择原则——表2-14352023/3/302.2.3

刀具耐用度的选择问题的提出

研究切削加工过程的主要目的，就是解决好质量、效率和经济性三者之间的协调问题----称之为切削过程的优化。实现优化----合理选择切削用量、合理选择刀具几何参数等。上述各参数均与刀具耐用度有关，必须正确选择刀具耐用度常用的切削过程优化指标1）单件平均生产时间：tw（mim/件）2）单件平均加工成本：C（元/件）3）平均利润率：Pr（元/min）362023/3/302.2.3

刀具耐用度的选择对应三种优化指标的刀具耐用度1）最大生产率耐用度TP式中m——泰勒指数；

tct——换刀时间（刀具装卸、对刀、磨刀等）2）最低成本耐用度Tc式中Ct——刀具费用，包括购刀、磨刀费用；

M——工时费用率（工资、管理费、机床折旧费等）372023/3/302.2.3

刀具耐用度的选择对应三种优化指标的刀具耐用度3）最大利润率耐用度TPr式中ta——辅助时间；

S——该工序单件分摊的创造产值；

K——与切削用量等有关的常数。三种优化指标与耐用度的关系当销售价格大于成本时，有382023/3/302.2.3

刀具耐用度的选择刀具耐用度的合理选择1）复杂刀具、高精度刀具的耐用度应比单刃刀具高些例如齿轮拉刀T拉刀﹥车刀、刨刀T车

一般说，产品销路不畅（初创）——Tc（最低成本）产品供不应求（销路畅通）——TPr（最大利润率）生产任务紧迫（产品急需）——TP（最大生产率）制定刀具耐用度的原则392023/3/302.2.3

刀具耐用度的选择2）机夹可转位刀具、陶瓷刀具，因换刀时间短，为充分发挥刀具切削性能、提高效率，可低一些T=15-30min；3）装刀、换刀、调刀复杂的多刀机床、组合机床、自动线刀具的耐用度要高些；4）精加工大件时，为避免中途换刀产生接刀的刀痕，耐用度要高些，一般每次换刀完成一次走刀。制定刀具耐用度的原则402023/3/302.2.4

切削夜的合理选用1）良好的润滑性能和吸附性能，保持润滑作用；2）高的导热系数、大的热容量和汽化热，冷却作用；3）良好的流动性和渗透性，冲刷和清洗作用；4）具有良好的防锈性能，防腐蚀；5）无毒、无臭，不刺激皮肤，环保；6）易于过滤，使用过程中不易沉淀和形成硬质点；7）经济性好。1