难加工金属材料的切磨削加工性

难加工金属材料的切削加工性

随着科学技术的发展，对机械电子、航空航天、兵器产品和化工设备及其零部件的性能有着各种新的要求。有的需在高温、高应力状态下工作，有的要能耐腐蚀、耐磨损，有的要能绝缘，有的需有高的电导率。故现代新型工程材料不断涌现。不仅使用一般的碳素结构钢，而且使用了高强度、超高强度合金结构钢、高锰钢和不锈钢；不仅使用一般的灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁，而且使用了合金耐磨铸铁和冷硬铸铁；不仅使用黑色金属，而且使用了钛合金、铜合金、铝合金及其他有色金属；不仅使用一般的铁碳合金，而且使用了多元合金如高温合金等；不仅使用以珠光体、铁素体为主的普通钢材，而且使用了以索氏体、托氏体为主的中硬调质钢和马氏体淬硬钢。此外，还大量使用各种非金属材料和粉末冶金材料等。在以上新工程材料中，有不少是属于难切削的，即所谓“难加工材料”。

难加工的原因一般是以下几个方面：

①高硬度；

②高强度；

③高塑性和高韧性；

④低塑性和高脆性；

⑤低导热性；

⑥有大量微观硬质点或硬夹杂物；

⑦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；会使加工效率和加工质量降低，加工成本提高。

    高强度钢、超高强度钢的半精加工、精加工和部分粗加工常态调质状态下进行。调质(淬火、中温回火)后的金相组织为索氏体或托氏体，硬度达HRC35—55。一般，σs＞1GPa或σb＞1.1GPa的结构钢，称为高强度钢；σs＞1.2GPa或σb＞1.5GPa称为超高强度钢。其延伸率和冲击值虽有所降低，但有些钢种（如38CrNiMoVA）调质后的塑性和韧性仍然不低于中碳正火钢。含碳量的0.30％—0.50％之间，合金元素总量不超过6％的，为低合金高强度钢、超高强度钢，在生产中用得很多。还有合金元素含量更多的中合金、高合金高强度钢与超高强度钢，其加工难度更大。机械前沿微信号：jixieqianyan

    与普通碳素结构钢相比，高强度钢、超高强度钢的强度高(都比45钢高出l倍或l倍以上)，导热系数偏低，故切削力大(为加工4.5钢的1.2—1.3倍)，切削温度高(比加工45钢高出100—200℃)，刀具磨损快，刀具使用寿命短[93]，断屑亦稍难。

       根据以上特点，必须采用耐磨性强的刀具材料。按粗加工、半精加工、精加工的要求，应分别采用不同牌号的YT类硬质合金，尽量是添加钽、铌的牌号。高速精加工时，应采用高TiC含量并添加钽铌的YT类合金、TiC基和Ti(C，N)基硬质合金、涂层硬质合金和复合A1203陶瓷等。刀具前角应较小，例如车削38CrNi3MoVA时，取γ。＝4—6º；车削35CrMnSiA时，取γ。＝0—-4º。在工艺系统刚性允许的情况下，应采用较小的主偏角kr和较大的刀尖圆弧半径rε。切削用量，尤其是切削速度，应比加工中碳正火钢时适当降低。尽可能采用切削液与断屑措施以改善切削条件。

    高锰钢的典型牌号有Mnl3、40Mnl8Cr3、50Mnl8Cr4等。经过水韧处理，金相组织为均匀的奥氏体。它的原始硬度虽不甚高，但其塑性和韧性特别高(分别为45钢的4倍和8倍)，加工硬化特别严重。加工硬化后，可高达HB500左右。切削过程中，工件表面上还会形成高硬度的氧化层(Mn203)。它的导热系数很小，约为45钢的1／4。因此，切削温度很高，切削力约比加工45钢时增大60％。高锰钢比高强度钢更难加工。

       加工高锰钢，应选用硬度高、有一定韧性、导热系数较大、高温性能好的刀具材料。粗加工时，可采用YG类、YH类或YW类硬质合金；精加工时，可采用YTl4、YG6X等合金。实践表明，用复合氧化铝陶瓷高速精车高锰钢，效果很好。从提高切削刃强度和散热条件出发，前角应选小值。但为使切屑变形不致过大，前角又不宜过小。一般，取γ。＝-5—5º，α。＝8—12º，λs＝0—-5º。切削速度应较低，一般为Vc=20—49m／min；只有用复合氧化铝陶瓷精车时，可以来用高于100m／min的切削速度。进给量和切削深度均不能过小，以免切削刃或刀尖在上一道工序形成的硬化层中划过而加速刀具的磨损。

    冷硬铸铁的硬度极高，是其难加工的主要原因。它的塑性很低，刀—屑接触长度很小，切削力和切削热都集中在切削刃附近，因而切削刃很容易崩损。冷硬铸铁零件的结构尺寸和加工余量一般都较大，毛坯精度低，因而就进一步加大了加工难度。   

    加工冷硬铸铁应选用硬度、强度都好的刀具材料，一般均采用细晶粒或超细晶粒的YG类和YH类硬质合金。实践表明，用复合氧化铝或氮化硅陶瓷对冷硬铸铁进行精加工、半精加工非常有效，刀具使用寿命和生产率比之硬质合金有明显提高。为了提高切削刃和刀尖的强度，一般取γ。＝0—-4º，α。＝4—6º，λs= 0—-5º，主偏角kr适当减小，刀尖圆弧半径rε适当加大。

      淬硬钢的组织为回火马氏体，硬度达HRC60以上，塑性和导热系数都很低。其加工性及刀具材料、刀具几何参数的选择基本上与冷硬铸铁同。对它们进行精加工，可采用CBN刀具。

    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。机械前沿微信号：jixieqianyan

加工纯金属，可以用高速钢刀具，也可以用硬质合金刀具。YG或YW类硬质合金可用于加工紫铜、纯铝，YT或YW类硬质合金可用于加工纯铁，应采用大前角和较大的后角(γ。＝25—35º，α。＝1—12º)，磨出锋利的切削刃，以减小切屑变形。应尽量采用较高的切削速度和较大的切削深度、进给量，以提高生产率。

    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，主要表现在：

    (1)塑性大，加工硬化很严重，易生成积屑瘤而使已加工表面质量恶化。切削力约比45  钢(正火)高25％。加工表面硬化程度及硬化层深度大，常给下道工序带来困难。且不易断  屑。   

    (2)导热系数小，只为45钢的1／3，产生的热量不易传出，所以切削温度高。

    (3)由于切削温度高，加工硬化严重，加上钢中有碳化物(TiC等)，形成硬质夹杂物，又易与刀具发生冷焊，故刀具磨损快，使用寿命降低。

    高温合金按其化学成分，有铁基、镍基、钴基三种。高温合金的加工性比不锈钢更差。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。有些元素又与非金属元素碳、氮、氧等结合成比重小、熔点高的高硬度化合物。还能形成一些具有一定韧性的高硬度的金属间化合物。同时，有些合金元素进入固溶体，使基体强化。高温合金经长期时效后，又能从固溶体中析出硬质相，进一步使晶格歪扭，这不仅增大了塑性变形阻力，而且由于硬质颗粒的存在而加剧了刀具的磨损[78]。

    碳化物——如TiC、VC、NbC、WC、W2C等；

    氮化物——如TiN、VN、NbN等； 

    氧化物——如Al203、SiO2等；

    金属间化合物——如FeCr、CoCr、FeCrMo等。

    (1)强度较高，又由示抵抗塑性变形的能力强，所以切削力很大，大约为中碳钢的一倍。

(2)硬度较高，尤其高温硬度高于其他金属材料，加工时由于塑性变形而进一步硬化。

    (3)导热系数小，只为45钢的l／3—1／4，故切削温度很高，刀具磨损加剧。

    (4)合金中的高硬度化合物构成硬质点，进一步加剧了刀具的磨损。

    (5)在中、低切削速度下，易与刀具发生冷焊。在高速高温下，又使刀具发生剧烈的扩散磨损。  机械前沿微信号：jixieqianyan

YT类硬质合金刀具不宜用于加工奥氏体不锈钢和高温合金，因为YT类硬质合金中的钛元素易与工件材料中的钛元素发生亲和而导致冷焊，在高温下还加剧了扩散磨损。一般宜采用YG类(尽量添加钽、铌，如YG6A)、YH类或YW类硬质合金，也可以采用高性能高速钢。刀面应磨光，且需采取断屑措施。加工奥氏体不锈钢时，宜采用较大的前角(γ。＝15—30º以减小切屑变形)与中等的切削速度(Vc＝50—80m／min，硬质合金)。加工高温合金时，宜采用偏小的前角(γ。＝0—10º，以提高切削刃的强度)与偏低的切削速度(Vc＝30—40m／min)硬质合金。不论加工奥氏体不锈钢或高温合金，切射深度和进给量均宜适当加大，避免切削刃和刀尖划过硬化层。

    钛合金的切削加工性也很差，刀具磨损快，刀具使用寿命低，原因如下：

    (1)加工钛合金时，剪切角很大，变形系数Λh接近于1，说明切屑变形不大，切削力比加工中碳钢约小20％。但是钛的化学性能活泼，在高温下易与大气中的氧、氮等元素化合从而生成硬脆的物质，加剧了刀具磨损。刀—屑接触长度很短(只为钢的1／3—1／4)。

    (2)导热系数极小，只为45钢的1／5—1/7，切削热又集中在切削刃附近，故切削温度很高，约比加工45钢时高出一倍。

    (3)已加工表面经常出现硬而脆的外皮，给以后工序带来困难。

    (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。在攻丝、铰孔和拉削时影响很大。    

    为避免工件、刀具中的钛元素发生亲和，加工钛合金时不宜采用YT类硬质合金而建议用YG类、YH类合金。为提高切削刃强度和散热条件，应采用较小的前角(γ。＝5—10º)。因回弹量大，宜用较大的后角(α。＝10—15º)。切削速度不宜过高，一般为Vc＝40—50m／min。切削深度与进给量宜适当加大。对于成形刀具和复杂刀具，亦可采用超硬高速钢。刀具几何参数与切削用量另定。