工件材料的切削加工性
第一节 工件材料的切削加工性
材料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。
1. 衡量切削加工性的指标
切削加工性的指标可以用刀具使用寿命、一定寿命的切削速度、切削力、切削温度、已加工表面质量以及断屑的难易程度等衡量。
某种材料切削加工性的好坏,是相对另一种材料而言的。因此,切削加工性是具有相对性的。一般以切削正火状态45钢的v60作为基准,其它材料与其比较,用相对加工性指标Kr表示:
(3-1)
式中,v60—— 某种材料其刀具使用寿命为60min时的切削速度;
(v60) j——切削45钢,刀具使用寿命为60min时的切削速度。
二。影响材料切削加工性的主要因素
影响材料切削加工性的主要因素有材料的物理力学性能、化学成分和金相组织等。
三。难加工材料的切削加工性
(一)、高锰钢的切削加工性
高锰钢加工硬化严重,塑性变形会使奥氏体组织变为细晶粒的马氏体组织,硬度急剧增加,造成切削困难。高锰钢热导率低,仅为45钢的1/4,切削温度高,刀具易磨损,高锰钢韧度大,约为45钢的8倍,其伸长率也大,变性严重,导致切削力增加,并且不易断屑。
(二)不锈钢的切削加工性
奥氏体不锈钢中的铬、镍含量较大,铬能提高不锈钢的强度及韧性,但使加工硬化严重,易粘刀。不锈钢切屑与前刀面结出长度较短,刀尖附近应力较大,经计算刀尖所收的应力为切削碳钢的1.3倍,造成刀尖易产生塑性变形或崩刀。奥氏体不锈钢导热性差,切削温度高。另外,锯齿形切屑并不因速度增高而有所改变,所以切削波动大,易产生振动,使刀具破损。断屑问题也是不锈钢车削中的突出问题。
车削不锈钢时,多采用韧性好的YG类硬质合金刀片,选择较大的前角和小的主偏角;较低的切削速度,较大的进给量和背吃刀量。
四、改善材料切削加工性的基本方法
1.在材料中适当添加化学元素??? 在钢材中添加适量的硫、铅等元素,能够破坏铁素体的连续性,降低材料的塑性,使切削轻快,切屑容易折断,大大地改善材料的切削加工性。在铸铁中加入合金元素铝、铜等能分解出石墨元素,利于切削。
2.采用适当的热处理方法??? 例如,正火处理可以提高低碳钢的硬度,降低其塑性,以减少切削时的塑性变形,改善加工表面质量;球化退火可使高碳钢中的片状或网状渗碳体转化为球状,降低钢的硬度;对于铸铁可采用退火来消除白口组织和硬皮,降低表层硬度,改善其切削加工性。
3.采用新的切削加工技术??? 采用加热切削、低温切削、振动切削等新的加工方法,可以有效地解决一些难加工材料的切削问题。
第二节 刀具材料
一.刀具材料应具备的性能
1.高的硬度 刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度,常温硬度须在60HRC以上。
2.高的耐磨性 刀具材料应有好的抵抗磨损的能力。取决于材料的力学性能、化学成分和组织结构。
3.足够的强度和韧性 以抵抗冲击及振动。强度用抗弯强度表示,韧性用冲击韧度表示。
4.高的耐热性 在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。用温度或高温硬度表示。
5.良好的导热性和工艺性 导热系数越大,有利提高刀具使用寿命;线膨胀系数小,则可减小热变形;为了便于制造须有较好的可加工性,即切削加工性、可磨削性、热处理等。
二.高速钢
(一)普通高速钢
普通高速钢的工艺型好,切削性能可满足一般工程材料的常规加工,常用品种有:W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W14CrVMnRE和W9Mo3Cr4V。W18Cr4V属钨系高速钢,其高温硬度约与钨钼系高速钢相当,但在高温下韧性不及钨钼系。钨钼系高速钢W6Mo5Cr4V2中所含Mo元素可使碳化物均匀,但含V较多,磨削性能差,目前我国主要用于热轧刀具。
(二)高性能高速钢
1.钴高速钢 典型钢种是W2Mo9Cr4VCo8(M42),它的特点是综合性能好,硬度高(70HRC),高温硬度在同类钢中居于前列,可磨削性好,适合于切削高温合金,但价格很贵。
2.铝高速钢 铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al,是我国独创的新型高速钢,具有良好的综合性能, 其高温硬度、抗弯强度、冲击韧度均与W2Mo9Cr4VCo8相当,价格低廉。但其可磨削性差、热处理工艺要求较严格。
3.高钒高速钢 其牌号有W6Mo5Cr4V3,由于炭化钒量的增加,从而提高了钢的耐磨性,一般用于切削高强度钢。但其刃磨性能比普通高速钢差。
选用高速钢时的一般原则如下。
(1) 切削一般材料时可用普通高速钢,其中以W18Cr4V用得最多。W6Mo5Cr4V2主要用于热轧刀具,W14Cr4VMnRE其韧性最高,可作热轧刀具。
(2) 如工艺系统刚性好,切削难加工材料时,简单刀具可用高钒、高钴高速钢。复杂刀具可用钨钼系低钴高速钢。
(三)涂层高速钢
高速钢刀具的表面涂层是采用PVD(物理气相沉积法)技术,在真空、工艺处理温度500℃的环境条件下,在刀具表面涂覆TiN、TiC、TiCN等硬膜(2~5μm),以提高刀具性能的新工艺。目前,已在形状复杂的钻头、丝锥、成形铣刀及齿轮刀具上广泛应用。
三.硬质合金
硬质合金是由金属碳化物粉末和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。硬质合金是当今最主要的刀具材料之一。绝大部分车刀、端铣刀和部分立铣刀、深孔钻、铰刀等均已采用硬质合金制造。由于硬质合制 制造工艺性差,它用于复杂刀具尚受到很大限制。 硬质合金的硬度在89~94HRA,相当于71~76HRC,耐磨性好,耐热性可达800~1000℃。因此,硬质合金比 高速钢的切削速度高4~10倍。刀具使用寿命可提高几十倍,但其抗弯强度低、韧性差、怕冲击和振动。
常用的硬质合金可分为四类:
1.钨钴类(WC+Co)YG 常用牌号有YG3、YG6、YG8等,YG类硬质合金与钢的粘结温度较低,其抗弯强度与韧性比YT类高,主要用于切削铸铁和有色金属及其合金,以及非金属材料和含Ti元素的不锈钢等工件材料。牌号中的数字为钴的百分含量,合金中钴的含量越高,韧性越好,适于粗加工,钴含量少的适用于精加工。
2.钨钛钴类(WC+TiC+Co)YT 其硬质相除WC外还有TiC,粘结相为Co。常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30。YT类硬质合金有较高的耐热性、较好的抗粘结、抗氧化能力。主要用于切削各种钢件,但不适宜切削含Ti元素的不锈钢。因为两者的Ti元素之间的亲和作用,从而加剧刀具磨损。牌号中的数字为TiC的百分含量,合金中含TiC量较多者,含Co量就少,耐磨性、耐热性就更好,适合精加工。但TiC量多,则导热性变差,焊接与刃磨时易产生裂纹。含TiC量较少者,适合粗加工。
3.钨钽(铌)钴类(WO+TaC(NbC)+Co)YA 这类硬质合金具有较高的硬度和耐磨性,同时能细化晶粒,可提高高温硬度、高温强度和抗氧化能力。适于切削冷硬铸铁、有色金属及其合金。
4.钨钛钽(铌)钴类(WC+TiC+TaC(NbC)+Co)YW 这类硬质合金是在YT类中添加TaC(NbC)而成,加入适量TaC(NbC)后,可提高抗弯强度和韧性,同时也提高了耐热性和高温硬度。由于它能用来切削钢或铸铁故又称通用合金。
硬质合金牌号的选择,主要根据工件材料和切削加工的类型。硬质合金含钴量越多,其强度也越高,但高温硬度、耐磨性和抗热变形的能力却越低。若碳化钛含量越高,则耐磨性、高温硬度和抗热变形的能力越高,但强度却越低,碳化钽的含量越高,硬质合金的高温硬度抗热变形能力以及抗月牙洼磨损的能力越高。
四.其他刀具材料
(一)陶瓷
陶瓷有很高的硬度和耐磨性,耐热性可达1200℃℃以上,常温硬度达91~95HRA,化学稳定性好,但最大弱点是抗弯强度低,韧性差。目前主要有复合氧化铝陶瓷和复合氮化硅陶瓷二种。是一种极其有发展前途的刀具材料。
(二)金刚石
金刚石分天然和人造两种,金刚石刀具既能胜任陶瓷、硬质合金等高硬度非金属材料的切削加工,又可切削其它有色金属及其合金,使用寿命极高。但不适合切削铁族材料,因金刚石与铁元素有很强的亲和力。它的热稳定性差,当切削温度达到800℃时即碳化(形成CO2)而失去其硬度。
(三) 立方氮化硼(CBN)
立方氮化硼是继人造金刚石之后出现的又一种超硬材料。它的特点是:硬度仅次于人造金刚石(8000~9000HV),耐磨性好、热稳定性高,可耐1300~1500℃的高温。此外,具有良好的导热性和较低的摩擦系数。立方氮化硼刀具能以加工普通钢和铸铁的切削速度切削淬硬钢、冷硬铁、高温合金等,从而大大提高生产率。当精车淬硬零件时,其加工精度与表面质量足以代替磨削。
第三节 切削液
(一)切削液的作用
1.冷却作用 切削液能够降低切削温度,从而可以提高刀具使用寿命和加工质量。切削液冷却性能的好坏,取决于它的导热系数、比热容、气化热、流量与流速等。一般水溶液的冷却作用较好,油类最差。
2.润滑作用 金属切削时切屑、工件和刀具间的摩擦可分干摩擦、流体润滑摩擦和边界润滑摩擦三类。当形成流体润滑摩擦时,才能有较好的润滑效果。金属切削过程大部分属于边界润滑摩擦。所谓边界润滑摩擦,是指流体油膜由于受较高载荷而遭受部分破坏,是金属表面局部接触的摩擦方式。切削液的润滑性能与切削液的渗透性,形成润滑膜的能力及润滑膜的强度有着密切关系。若加入油性添加剂,如动物油、植物油可加快切削液渗透到金属切削区的速度,从而可减少摩擦。若在切削液中添加一些极压添加剂,如含有S、P、Cl 等的有机化合物,这些化合物高温时与金属表面起化学反应,生成化学吸附膜,可防止在极压润滑状态下刀具、工件、切屑之间的接触面的直接接触,从而减小摩擦,达到润滑的目的。
3.清洗预防锈作用 切削液可以消除切屑,防止划伤已加工表面和机床导轨面。清洗性能取决于切削液的流动性和压力。在切削液中加入防锈添加剂后,能在金属表面形成保护膜,起到防锈作用。
二、切削液的种类及选用
切削液的种类和选用见表3-3所示
表 3-3 切削液种类和选用
切削液应根据工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求进行选用。对硬质合金刀具一般不用切削液,若要使用,必须连续、充分地供应,否则因聚冷聚热,导致刀片产生裂纹。切削铸铁一般也不用切削液。切削铜、铝合金和有色金属时,一般不用含硫的切削液,以免腐蚀工件表面。
第四节 刀具合理几何参数的选择
1. 前角的功用及选择
2. 前角的功用
增大前角能减小切屑变形和摩擦,降低切削力、切削温度,减小刀具磨损、抑制积屑瘤和鳞刺的生成,改善加工表面质量。但是前角也不能选得过大,前角过大会削弱刀刃强度和散热能力,反而使刀具磨损加剧,刀具使用寿命下降。应有一个合理参考数值。 前角的选择原则
工件材料的强度、硬度低、塑性大,前角数值应取大些,可减小切屑变形,降低切削温度。加工脆性材料时,应选取较小的前角,因变形小,刀-屑接触面小。
刀具材料的强度和韧性越好,应选用较大的前角。如高速钢刀具可采用较大前角。 粗切时为增强刀刃强度取小值。工艺系统刚性差时,应取大值。
二、后角的功用及选择
后角功用
增大后角能减少后刀面与过渡表面间的摩擦,还可以减小切削刃圆弧半径,使刃口锋利。 但后角过大会减小刀刃强度和散热能力。
后角的选择原则 >
后角主要根据切削层公称厚度hD选取。粗切时,进给量大,切削层公称厚度大,可取小值;精切时,进给量小,切削层公称厚度小,应取大值,可延长刀具使用寿命和提高已加工表面质量。当工艺系统刚性较差或使用有尺寸精度要求的刀具时,取较小的后角。工件材料的强度、硬度越大,后角应取小值。后角的参考值见表3-4。 斜角切削与刃倾角的选择
切削液应根据工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求进行选用。对硬质合金刀具一般不用切削液,若要使用,必须连续、充分地供应,否则因聚冷聚热,导致刀片产生裂纹。切削铸铁一般也不用切削液。切削铜、铝合金和有色金属时,一般不用含硫的切削液,以免腐蚀工件表面。
第四节 刀具合理几何参数的选择
1. 前角的功用及选择
2. 前角的功用
增大前角能减小切屑变形和摩擦,降低切削力、切削温度,减小刀具磨损、抑制积屑瘤和鳞刺的生成,改善加工表面质量。但是前角也不能选得过大,前角过大会削弱刀刃强度和散热能力,反而使刀具磨损加剧,刀具使用寿命下降。应有一个合理参考数值。 前角的选择原则
工件材料的强度、硬度低、塑性大,前角数值应取大些,可减小切屑变形,降低切削温度。加工脆性材料时,应选取较小的前角,因变形小,刀-屑接触面小。
刀具材料的强度和韧性越好,应选用较大的前角。如高速钢刀具可采用较大前角。 粗切时为增强刀刃强度取小值。工艺系统刚性差时,应取大值。
二、后角的功用及选择
后角功用
增大后角能减少后刀面与过渡表面间的摩擦,还可以减小切削刃圆弧半径,使刃口锋利。 但后角过大会减小刀刃强度和散热能力。
后角的选择原则 >
后角主要根据切削层公称厚度hD选取。粗切时,进给量大,切削层公称厚度大,可取小值;精切时,进给量小,切削层公称厚度小,应取大值,可延长刀具使用寿命和提高已加工表面质量。当工艺系统刚性较差或使用有尺寸精度要求的刀具时,取较小的后角。工件材料的强度、硬度越大,后角应取小值。后角的参考值见表3-4。 斜角切削与刃倾角的选择
1.斜角切削
当刀具的刃倾角λs=0°时,主切削刃与切削速度方向垂直,称直角切削。若刀具的刃倾角λs≠0°,其主切削刃与切削速度方向不垂直,称斜角切削。斜角切削是应用比较普遍的一种切削方式。
2.斜角切削速度分解如图3-2所示,切削刃上某点的切削速度vc,可分解为垂直于切削刃的分速度vn和平行于切削刃的分速度vT,即:
,??
由于有vT,使切屑流出方向发生变化。切屑流出方向在前刀面上与刀刃的法剖面之间的夹角,称流屑角ψλ,如图3-2b。实验证明,流屑角ψλ近似等于刃倾角,即
ψλ≈λs。
1.
2.
3.
4.
5. 刃倾角的功用 影响切屑流出方向? 如图3-3所示。 影响切削刃的锋利性? 因实际前角较大,可进行薄切削。 影响刀刃强度? 如图3-4所示,负刃倾角可使刀尖避免冲击。 影响背向力Fp与进给力Ff的比值? λs为负值时,Fp力增大,Ff力减小,易
振动。
刃倾角的选择原则
选择刃倾角时主要根据切削条件和系统刚性而定。精切λs=0°~+5°;粗切λs=0°~-5°。工艺系统刚性不足时,取正值刃倾角。
四、主偏角和副偏角的功用及选择
主偏角和副偏角的功用
主偏角主要影响切削层截面的形状和几何参数,影响背向力Fp与进给力Ff的比例以及刀具的使用寿命,并和副偏角一起影响已加工表面粗糙度。如图3-5所示,在相同切削用量的条件下,主偏角越小,则背向力Fp越大,切削刃的工作长度越长。
副偏角的主要作用是减少副切削刃与工件已加工表面的摩擦,减少切削振动。副偏角的大小影响工件表面残留面积的大小,进而影响已加工表面的粗糙度值。如图3-6所示,副偏角越小,则工件表面的残留面积越小,表面粗糙度Ra值越小。
主偏角和副偏角的选择原则
(1)加工工艺系统的刚性不足的情况下,为了减少背向力Fp,应选用较大的主偏角。如车削细长轴时,一般取Kr=90°~93°,以降低背向力Fp,减少振动。
(2)粗加工时,一般选用较大的主偏角(Kr=60°~75°),以利于减少振动,延长刀具的使用寿命。
(3)加工强度、硬度高的材料,如冷硬铸铁和淬硬钢时,如系统刚性较好,则选用较小的主偏角,以增加刀刃的工作长度,减轻单位长度切削刃上的负荷,改善刀头散热条件,延长刀具的使用寿命(Kr=10°~30°)。在不影响摩擦和不产生振动的条件下,选取较小的副偏角。外圆车刀的副偏角一般为5°~15°。
第五节 切削用量的选择
一.选择切削用量的原则
正确选用切削用量,对提高生产率,保证必要的经济性和切削加工质量均具有重要意义。
切削用量与刀具使用寿命的关系为:
(3-3)
根据实验结果, 1/m>1/n>1/p 。这说明在 vc 、f 、ap三者之中,切削速度对刀具使用寿命得影响最大,进给量次之,背吃刀量影响最小。
另外 ,生产率可用单位时间内的金属切除量Qz表示。
(3-4)
由此可见,除提高切削速度外,也可以增大进给量 f 及加大 背吃刀量 a p 来达到提高生产率的目的。当然同时还应保证刀具的使用寿命 T c (或 Tp )。
根据以上分析可知,选择切削用量的原则应当是:在机床、工件、刀具强度和工艺系统刚性允许的条件下,首先选择尽可能大的 背吃刀量ap,其次根据加工条件和要求选用所允许的最大进给量f,最后再根据刀具的使用寿命要求选择或计算合理的切削速度。
二、切削用量的选择方法
1. 背吃刀量的选择 背吃刀量根据加工余量来确定。切削加工一般分为粗加工、半精加工和精加工。粗加工( Ra 80 ~ 20 m m )时应尽量用一次走刀切除全部余量,若机床功率为中等时, ap =8~10mm 。半精加工( Ra10~5 m m )时,ap =0.5~2mm 。精加工( Ra 2.5~1.25 m m )时, ap =0.1~0.4mm 。当加工余量太大,或工艺系统刚性不足,或断续切削时,粗加工也不能一次选用过达的 背吃刀量,应分几次走刀,不过第一次走刀的背吃刀量应取大些。
2. 进给量的选择 粗加工时,应在机床进给机构的强度、车刀刀杆强度和刚度、刀片强度以及装夹刚度等允许的条件下,尽可能选取大的进给量,因为这时对工件粗糙度要求不高。精加工时最大进给量主要受表面粗糙度的限制,实际生产中,主要用查表法或根据经验确定。
3. 切削速度的确定 根据选定的背吃刀量ap 、进给量f 和刀具使用寿命T ,按式2-42计算切削速度vc ,再算出机床主轴转速。实际生产中,可由查表法或经验确定。见表3-7 。
三.选择切削用量的实例
工件材料:45钢正火,,锻件。工件尺寸及要求:如图3-7。 使用机床:CA6140型车床。刀具:机夹外园车刀,刀片 YT15,刀杆尺寸16mm × 25mm。几何角度
,
,
,
,四边形刀片。 试选车削外圆的切削用量。
选择的方法和步骤:
根据工件尺寸精度和表面粗糙度要求,分粗车一半精车两道工序。
1.粗车
(1)确定背吃刀量:根据工艺半精车单边余量为 1mm ,现单边总余量为 4mm ,粗车工序尽量一刀切掉,取ap=3 mm 。
(2)选择进给量:根据表3-5 ,f=0.5~0.7取 f=0.6mm/r(需与机床相符)。
(3) 确定切削速度:根据表3-7,45钢正火接近热轧,刀具使用寿命为60min,vc =90~110m/min ,取vc =90m/min 。
确定机床转数:
根据机床标牌:取 n=400/min =421r/min
实际切削速度:
=85.4m/min
(4) 校验机床功率:根据表2-6 ,单位切削功率Ps =32.7×10 -6 Kw/(mm 3 /min) ;由表2-7得当 f =0.6mm/r时,
=0.9故切削功率
Pc = Ps vc ap f 1000
=32.7×10-6×85.4×3×0.6×1000×0.9 kW
=4.5 kW
机床消耗功率:
= 4.5/0.8kW=5.7Kw< P E
机床功率 PE =7.5 Kw,故功率足够。
( 5) 计算切削工时tm :
这里取△=y=2mm。
2.半精车
(1)确定背吃刀量:ap =1mm 。
(2)确定进给量:根据表面粗糙度要求及刀具
=0.25~0.3mm/r)取 f=0.3mm/r。 =15 °,
=0.5mm查表3-6( f
(3) 确定切削速度:根据表 3-7( vc =130~160m/min )取 vc =150m/min 。 确定机床主轴转速:
根据机床标牌取 n=710r/min
故实际切削速度:
(4)计算切削工时: