难切削材料的加工

　　1、什么是难切削材料？

　　就是切削加工性差的材料。一般材料的性能大于或小于此指标中（HB>250、σb>1000 MPa，δ>30％，α k>100 MPa，K<41.8 W/m?k)的一项以上，都属于难切削材料。也可以用切削过程中的现象(切削力、切削热、刀具磨损与刀具耐用度、已加工表面质量和切屑控制等)来衡量。

　　2、影响材料切削加工性的因素：

　　①物理性能：

　　1)导热系数K：导热系数高阳材料允许的Vc就高。如用硬质合金刀具切削以下材料的Vc：

　　碳    钢  K=48.2～50.2 W/m?k    Vc=100～150 m/min

　　高温合金   K=8.4～16.7 W/m?k    Vc=  7～60  m/min

　　钛 合 金   K=6.3～9.6  W/m?k    Vc= 15～50  m/min

　　2)线膨胀系数α：影响材料的热胀冷缩程度而影响加工精度。

　　②化学成分：材料的化学成分和配比是影响材料的力学性能、物理性能、热处理性能、金相组织和材料的切削加工性的根本因素。如：

　　C：材料含碳量的增加，其硬度和强度增加。

　　Ni：Ni能提高材料的耐热性，但使材料的导热系数明显下降；当Ni>8％时，形成奥氏体钢，使加工硬化严重。

　　V：随着它的含量的增加，材料的磨削性能变差。

　　Mo：能提高材料的强度和韧性，但材料的导热系数下降。

　　W：能提高材料的热强性和高温强度及常温硬度与强度。但使材料的导热系数明显下降。

　　Mn：能提高材料的硬度和强度，使材料的韧性下降。当Mn>1.5％时，材料的切削加工性变差。

　　Si：能使材料的导热系数下降。

　　Ti：钛是易于形成碳化物的元素，其加工性也差。

　　还有Cr、O、S、P、N、Pb、Cu、Al等元素都对材料的切削加工性有影响。

　　③材料的力学性能：1)硬度和强度：材料的硬度和强度适中，其切削加工性比较好，硬度和强度越高，切削加工性就越差。如正火45钢：HB200，σb 640 MPa；淬火45钢：HRC45，σb 2100～2600 MPa。影响材料切削加工性的还有金属材料组织中的细微杂物，如A1203、Si02、Ti02等，它们的显微硬度高，对刀具产生机械磨损；其切削加工性也变差。2)韧性α k和塑性δ：韧性和塑性大的材料，在切削加工时的阻力、变形和产生的热量就大，其切削加工性也差。3)弹性模量E：它是表示材料刚度的指标，弹性模量大，表示材料在外力的作用下不易产生弹性变形。但弹性模量小的材料在切削过程中，弹性恢复大，且刀具摩擦大，切削也困难。如软橡胶E==2～4MP;45钢  E=200000 MPa：Mo材E=500000 MPa。

　　④金相组织：1)铁素体：它的硬度和强度很低(HB50～90，σb =190～250 MPa)、塑性和韧性高(δ=40～50％)，切削时易产生积屑瘤．切削加工性差。2)珠光体：球形珠光体切削加工性好。(如45钢) 3)渗碳体：硬度高(HRC66-70)，但很脆(α k=30-35 MPa)，由于Fc增大易崩边，使切削困难。4)奥氏体：它的硬度不高(HB200左右)，但塑性和韧性很高，加工表面硬化和切屑与刀具冷焊严重，切削加工性差。如1Cr18Ni9Ti、高温合金等。5)马氏体：淬火钢属于这类金相组织。它硬度高、脆性大，其相对切削加工性为45钢的1/3～1/10。

　　3、难切削材料的切削特点： 

　　①切削力大：为切45钢的1.5～2.5倍

　　②切削温度高：当Vc=75m/min时，切削以下材料比切削45钢的切削温度高：

　　TC-4  435℃    GH132  320℃   GH36  270℃    1Cr18Ni9Ti  195℃#p#分页标题#e#

　　③加工硬化倾向大：由于部分难切削材料的韧性、塑性高，强化系数大；加之在切削热的作用下吸收周围介质中的H、O、N等的原子，使切削表面和已加工表面形成硬脆层，其硬化程度比基体高50～200％．深度大于0.1mm，是切45钢的好几倍。

　　4、改善难切削材料加工性的途径：

　　①选用优良的刀具材料。②选用合理的刀具几何参数。③选用合理的切削用量。④选用性能好的切削液。⑤改善工夹具结构。⑥对被加工材料进行适当热处理。⑦采用其他工艺

　　二、难切削材料的车削：

　　1、淬火钢的车削：

　　①淬火钢的切削特点：1)硬度高：HRC45-70。2)脆性大。3)强度高：σb =2100～2600 MPa，是45钢的4倍左右。4)切削力大：单位切削力Kc为4500MPa，是切45钢的2.5倍。5)切削温度高：其导热系数为45钢的1/7。

　　②刀具与切削用量：1)刀具材料：PCBN、陶瓷、硬质合金(600、610、YS8、YT05、758、813)等。2)刀具几何参数：γ0=0～-10°，工件硬度和连续切削时γ0=-10～-30°，α 0=8～10°，κr=30～60°，λs=0～-3°。3)切削用量：硬质合金Vc=30～50m/min；陶瓷刀具Vc=60～120m/min；PCBN刀具Vc=100～200 m/min，断续切削时Vc为上述的1/2，α p、f为切一般钢的1/2。

　　注意：一股淬火钢的耐热性为200～400℃，它的硬度随温度增高而降低。而刀具材料(硬质合金、陶瓷、PCBN)的耐热性分别为800～1000℃、1200℃、1400～1500℃，利用这一特性，在连续切削时，Vc不能选择太低；钻孔时，Vc要合理，勤退刀；断续切削时f要小，κr适当减小，γε增大，λs为负值。

　　3、高温合金的车削

　　由于高温合金中含有许多高熔点的合金元素Fe、Ti、Cr、Ni、V、W、Mo等，这元素与其它合金元素构成纯度高、组织致密的奥氏体合金。而具有的元素又与非金属元素C、B、N等构成硬度高、比重小、熔点高的金属与非金属的化台物。使其它的切削加工性变得很差。它的相对切削加工性只有45钢的5～20％。

　　①切削特点：1)切削力大：比切削一般钢材大2～3倍。2)切削温度高：比切45钢高50％。3)加工硬化严重：切削表面和已加工表面的硬度比基体高50-100％。4)刀具易磨损：易产生粘结、扩散、氧化、沟纹磨损。

　　②刀具材料：1)高速钢：应采用高钒、高碳、含铝高速钢。2)硬质合金：应采用细和超细颗粒的YG

　　⑨刀具几何参数：变形高温合金：γ0=10°，铸造高温合金：γ0=0°，一般不搭负倒棱。α 0=10～15°，粗车λs =-10°，精车λs =0～3°，κr=45～75°。

　　④切削用量：1)高速钢刀具：Vc=3～8m/min。2)硬质合金刀具：Vc=10～60 m/min。变形高温合金：Vc=40～60m/min。铸造高温合金：Vc=7～10m/min。α p和f>0.1mm。

　　⑤切削液：同不锈钢。

　　⑥高温合金钻孔：应尽量采用硬质合金钻头或S型和浅孔钻；如用高速钢钻头时，加大2巾，修磨α 0和b，Vc为3 m/min，f为0.2～0.3mm/r；钻头要锋利，磨钝标准为一般钢材的1/2～1/3，最好采用自动进给和不要在切削表而停留。

　　4、钛合金的车削：

　　钛合金是近几十年发展起来的一种新金属，由于它的比强度(σb／ρ=1680／4.5=373，是45钢的4.5倍)高，热强度高(500℃长期工作)、抗腐蚀性好、低温性能优良，而用于航空航天、化工、医疗等。

　　①切削特点：1)切削温度高：在相同的切削条件下，比切45钢高1倍。2)亲和作用大，粘结严重，在高温时产生粘结现象。3)化学活性大：在高温切削条件下，它与空气中的O、N、H、C发生反应，生成TiO2、TiN、TiH等的硬皮层，给切削带来困难。

　　②刀具材料：1)高速钢：除普通高速钢外，最好选用高钒、高钴、含铝高速钢。2)硬质合金：YG8、YG6X、YG6A、813、643、YS27、YD15.3)PCD、PCBN天然金刚石。#p#分页标题#e#

　　③刀具几何参数：γ0=5～15°，α 0≥15°。

　　④切削用量：1)高速钢刀具：Vc=8～12 m/min。2)硬质合金刀具：Vc=15～60 m/min。3)PCD、PCBN天然金刚石刀具：湿切Vc=200 m/min：干切Vc=100 m/min，α p>0.05mm，f>0.05mm/r。

　　⑤切削液：一股采用乳化液、极压乳化液。精加工时采用极压切削油。

　　⑥注意：车削细长轴(杆)时，应使用活顶尖和尼龙作跟刀架和中心架的爪托；铰孔时，应用蓖麻油60％＋煤油40％作切削液；攻丝时，适当加大底孔直径。

　　5、冷硬铸铁的切削：

　　这类铸铁的表层发生白口化，硬度可达HRC60左右；单位切削力K c可达3000MPa，是切削45钢的1.5倍；切削力集中在刃口附近，加工有气孔、夹砂，切削时易损坏刀具；它的脆性大，切削时还会发生崩边、掉渣等现象。

　　①刀具材料：1)硬质合金：应选硬度和抗弯强度高的硬质合金。YS2、YS8、YS10、600、610、726。2)陶瓷：SG4、AT6、SM、FT80、FT85。3)PCBN：用于精车。

　　②刀具几何参数：1)硬质合金：γ0=0～-5°，α 0=5～10°，κr≤45°(κr=45°)，λs =-5～一10°，γε=0.5～1 mm；

　　③切削用量：1)硬质合金刀具：粗加工Vc=7～10m/min，α p=5～10mm，f=0.5～1.5mm/r。精加工：Vc=15～20m/min，α p=0.5～2mm，f=0.3～O.5mm/r。2)陶瓷刀具：Vc=40～50m/min，α p=0.5～2mm，f=0.3～0.6mm/r。3)PCBN刀具：Vc=60～70m/min，α p=0.5～2mm，f=0.1～0.3mm/r。

　　6、热喷涂(焊)材料的车削：

　　热喷涂材料大多是多组元高强合金，经高温、高速喷射到工件表面上，使工件表层的硬度、耐蚀性、耐磨性和耐热性大幅度提高，而得到广泛的应用。铜基、铁基粉末喷涂层的硬度，较易切削。钴基、镍基粉末喷涂层的硬度>HRC50，难切削。钴包WC、镍包WC、镍包Al2O3喷涂层的硬度>HRC65，最难切削。

　　①刀具材料：1)硬质合金：硬度>HRC45，采用YG、YW硬质合金；硬度，采用600、610、726、767、YD05、YC12、YS2、YS8：硬度>HRC65，采用YG3X、YD05、YC09、YC12、YS8、600、610。

　　2)陶瓷刀具：3)PCBN

　　②刀具几何参数：γ0=0～-5°，α 0=8～12°，κr≤45°。

　　③切削用量：硬质合金Vc=6～40m/min；陶瓷刀具 Vc=18～80m/min；PCBN刀具：Vc=24～160m/min。α p=0.15～0.6mm；f=0.1～1mm/r。

　　7、软橡胶的切削：

　　软橡胶的硬度(邵尔A型30～35)和强度(σb 20～25 MPa)极低，导热性极差(0.14W/m?k)、塑性极高(δ=500～700)、弹性模量极小(2～4 MPa)。由于上述性能，它具有很好的弹性、柔顺性和易变性，因此很难对它进行切削加工。

　　①刀具材料：高速钢、YG类硬质合金。

　　②刀具几何参数：  γ0=45～55°，  α 0=10～15°，β0=20～30°；刮削时，γ0=0°，α 0=70°，还用割刀(β0=5～10°)，套料刀。

　　③切削用量：Vc≤100 m/min。α p=2～5mm；f=0.5～0.7 mm/r。

　　④切削液：用不含油的水溶液。

　　8、砂轮的车削：

　　一般刚玉类磨料的硬度为1800～2450HV，碳化硅磨料的硬度为3100～3400HV，采用PCD和PCBN刀具来车削这两种磨料的砂轮，如同用刀切豆腐一样容易。

　　①为了防止砂轮在车削时崩边，采用圆形刀片的机夹刀具。

　　②刀具几何参数：圆形刀片γ0=-8～-10°，α 0=8～10°。

　　③切削用量：Vc=30～50m/min。α p=4～5mm；f=1～1.5 mm/r。

　　9、硬质合金的车削：

　　硬质合金的硬度高(HRA85～92.5、HV1300～1650、HRC67～81)、脆性大(σb 900～2500 MPa)。以前只能采用磨削和电加工来进行加工。由于PCD、PCBN超硬刀具的出现，给车削加工提供了条件。#p#分页标题#e#

　　①刀具材料：PCD、PCBN。②刀具几何参数：γ0=0～-5°，α 0=6～8°，κr≤30～45°。

　　③切削用量：Vc=20～35m/min，α p=0.1～1.5mm，f=0.05～0.15 mm/r。

　　④注意：防止崩边：用煤油作切削液。

　　10、工程陶瓷的车削：

　　传统的陶瓷是用金刚石砂轮磨削。这是因为它的硬度高(1100～2250HV)、抗弯强度低(450～1300MPa)、弹性模量高(315000～400000MPa)所致。

　　①刀具材料：PCD、PCBN；易切陶瓷，也可用硬质合金，但刀具耐用度低。

　　②刀具几何参数：γ0=-10～-15°，α 0=8～12°，κr=30～60°。为了使切出切入平稳，也可采用圆刀片。

　　③切削用量：用硬质合金刀具车易切陶瓷Vc=10～20m/min。用PCD、PCBN刀具Vc=30～60m/min，α p=0.1～2mm；f=0.05～0.1 mm/r。

　　④切削液：一股使用乳化液。⑤注意问题：防止崩边。

　　11、复合材料的车削：

　　复合材料是由两种以上不同物理、化学、力学性能的物质人工制成的多相组成的固体材料。如玻璃钢就是典型的复合材料。复合材料的种类有玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)、芳纶纤维增强复合材料(KFRP)、硼纤维增强复合材料，统称为树脂基纤维增强复合材料(FRP)。它只有很高的比强度和比刚度(比金属高3～8倍)，而且抗疲劳性、减震性、断裂安全性好，而广泛应用于航天、航空、化工等行业。复合材料在切削加工时，由于材料的导热系数很低(小于一般钢的1/16)，造成切削温度高，易产生变质和软化，纤维和树脂性能相差很大，表面粗糙度难以达到，且刀具磨损严重，大多数情况下不能使用切削液。

　　①刀具材料：高速钢和涂层高速钢、YG类硬质合金。为了几十到几百倍提高刀具耐用度，应选PCD、PCBN刀具。

　　②刀具几何参数：一般情况下γ0=-10～-15°，α 0=10～12°，γε=1～3mm，车螺纹时为防止崩牙γt=-15～-25°。

　　③切削用量：高速钢刀具Vc=1O～15 m/min；硬质合金刀具Vc=40～80m/min；PCD、PCBN 刀具Vc=80～120m/min，f=0.2～0.5 mm/r，α p无特殊要求。

　　④注意：为防止分层、撕裂，应采用防护措施(支承防护扳、减少刀具主偏角和进给量和在切入切出处先倒角等)。

　　三、结束语：

　　随着科技的发展，高性能和特殊性能的材料的出现和应用，大都需要切削加工，给切削加工带来了难题。除上述几类难加工材料外，还有许多纯金属及合金，如纯镍、纯钼、纯钨、纯铁、钽等，它们中有的切削加工性极差。为此，我们要了解被加工材料的性能，广泛学习他人的经验与金切知识，才能顺利地解决生产中难切削材料的加工。