华科大机械制造工程学课件04影响切削加工过程及表面质量的因素

第4章影响切削加工过程及表面质量的因素

从切屑形成过程及其过程中的物理现象可知，影响切削过程及其加工表面质量的因素，主要包括与其过程有关的五个方面：1.工件材料的切削加工性

2.刀具材料的合理选择3.刀具几何参数的合理选择

4.切削液的类型、作用机理及选择5.切削用量的合理选择4.1工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性，是指工件材料切削加工的难易程度。这是决定切削加工过程状态特点的根本因素。被加工材料的性能是根据一定机械结构的功能所选定的，往往是很难改变的。总之，工件材料的硬度、强度、塑性、韧性、导热系数、化学成分、金相组织等六个方面对切削加工性都有较大的影响。

4.2刀具材料的合理选择4.2.1刀具材料应具备的切削性能

1.高的硬度和耐磨性2.足够的强度和韧性3.高的耐热性（热稳定性）4.良好的工艺性5.经济性6.切削性能的可预测性4.2.2刀具材料的种类及其性能特点常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、金刚石、陶瓷、立方氮化硼等。碳素工具钢(如T10A，T12A)、合金工具钢(如9SiCr，CrWMn)，耐热性较差，仅用于一般手工工具及切削速度较低的刀具。陶瓷、金刚石、和立方化硼等超硬材料，仅用于某些难加工材料的切削。目前用得最多的刀具材料是高速钢和硬质合金。

一．高速钢

高速钢是一种在合金工具钢基础上加入较多的合金元素钨、钼、铬、钒等所形成的刀具材料。它具有较高的热稳定性，在切削温度高达500～650º时尚能进行切削。它切削时允许的速度比碳素工具钢和合金工具钢提高1～3倍。刀具耐用度提高10～40倍以上。它的加工范围较广，从有色金属到高温合金都可应用。高速钢具有高的强度和韧性，适合于各种不同切削刀具的要求，也可用于刚性较差的机床上加工。

高速钢刀具的制造工艺较简单，容易磨成锋利的切削刃。它能锻造，这一点对复杂形状及大型成形刀具非常重要。

高速钢材料的性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动化机床上使用可靠，能对它的磨损和刀具耐用度进行预测。高速钢的种类，按性能和用途不同可分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺方法不同可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。1．通用型高速钢通用型高速钢可分为钨钢和钨钼钢两类：1)钨钢这种钢的典型牌号是W18Cr4V(简称W18)，它含W18％，Cr4％，V1％，具有较好的综合性能，在600º时的高温硬度为HRC48.5，可用以制造各种复杂刀具。

W18钢的优点是：淬火过热倾向小；由于含钒量较少，故磨加工性好；由于碳化物含量高，因而塑性变形抗力较大。

2)钨钼钢钨钼钢是将钨钢中的一部分钨用钼代替所得到的一种高速钢。钨钼钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2(简称M2)，这种钢的碳化物分布细小均匀，具有良好的机械性能。它的抗弯强度比W18钢高10～15％，韧性高50～60％，而且大截面的工具也具有这种优点，因而可作尺寸较大，承受冲击力较大的刀具。

2．高性能高速钢

高性能高速钢是指在通用型高速钢中再加入一些含碳量、含钒量及添加钴等合金元素的新钢种，其特点有：耐热性好

硬度高3．粉末冶金高速钢用粉末冶金法制造的高速钢有以下优点：(1)细小均匀的结晶组织。(2)这种钢的磨加工性很好。

(3)由于粉冶钢物理机械性能具有高度的各向同性，因此可减小淬火时的变形。

(4)由于碳化物颗粒均匀分布的表面积较大，且不易从切削刃上剥落，故粉冶钢的耐磨性可提高20～30％。

粉冶钢适用于制造切削难加工材料的刀具及大尺寸刀具(如滚刀、插齿刀)，也适于制造精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。对于高压动载荷下使用的刀具(如断续切削刀具)，以及小截面、薄刃刀具和成形刀具，粉冶钢刀具的耐用度比熔炼钢高2～3倍。二．硬质合金1．硬质合金的特点

硬质合金是由难熔金属碳化物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和金属粘结剂(如Co、Ni等)经粉末冶金方法制成的。其性能特点有：(1)硬度、耐磨性、耐热性都很高；(2)不能承受大的切削振动和冲击负荷；(3)硬质合金中碳化物含量较高时，硬度较高，但抗弯强度较低；粘结剂含量较高时，则抗弯强度较高，但硬度却较低；(4)由于硬质合金的优良切削性能，被广泛用作各种刀具。2．常用硬质合金的分类及其特性

ISO将硬质合金刀具材料分为三类：

P类(YT类)，用于加工长切屑的黑色金属（钢材）；

K类(YG类)，用于加工短切屑的黑色金属（铸铁），有色金属和非金属材料；

M类(YW类)，用于加工长的或短切屑的黑色金属和有色金属。在现代被加工材料中，90～95％可用P和K类硬质合金加工，其余5～10％可用M类硬质合金加工。三．涂层刀具

涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢基体上，涂复一层薄的耐磨性高的准熔金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN、A1203等。涂层可采用单涂层，双涂层或多涂层，如TiC(或TiN)、TiC—A1203、TiC—A1203——TiN等。涂层刀具的特点：（1）涂层刀具的硬度比基体硬度高得多（2）涂层刀具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因而有高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。（3）涂层刀具有低的摩擦系数，可降低切削力和切削温度，可大大提高刀具耐用度。此外，涂层硬质合金刀具的通用性广，一种涂层刀片可代替几种未涂层刀片的使用，因而大大简化刀具的管理。

四．陶瓷

常用的陶瓷刀具有几种：纯A1203陶瓷和A1203——TiC混合陶瓷。陶瓷刀具的特点有：（1）硬度和耐磨性很高。（2）耐热性很高。（3）化学稳定性很高。（4）摩擦系数较低，切屑与刀具不易产生粘结，加工表面粗糙度较小。（5）陶瓷的最大缺点是抗弯强度很低，冲击韧性很差。五．金刚石

金刚石刀具有三种：天然单晶金刚石，整体人造聚晶金刚石刀具及金刚石复合刀具。其性能特点如下：(1)有极高的硬度和耐磨性。(2)金刚石的切削刃非常锋利。(3)金钢石的摩擦系数低。(4)金刚石的热稳定性较低。(5)金刚石刀具不适于加工钢铁材料。目前金刚石主要用于磨具及磨料。六．立方氮化硼

立方氮化硼是由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成的。立方氮化硼刀具有两种：整体聚晶立方氮化硼刀具及立方氮化硼复合刀片。后者是在硬质合金基体上烧结一层厚度约为0.5mm的立方氮化硼而成。立方氮化硼的性能特点：1)有很高的硬度及耐磨性，已接近金刚石的硬度。2)有比金刚石高得多的热稳定性。3)立方氮化硼的化学惰性很大，可用于加工淬硬钢和冷硬铸铁。

4.3切削液在金属切削过程中，正确选择和使用切削液可以减小切削力和降低切削温度，改善切屑、工件和刀具的摩擦状态，减小刀具磨损，提高刀具耐用度，同时还能减小工件的热变形、抑制积屑瘤和鳞刺的生长，提高加工精度，减小表面粗糙度，提高切削