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难切削材料的加工

发布时间:2012.05.23 新闻来源:扬中市宏图磨具有限公司 浏览次数:

一、概论:
  1、什么难切削材料?

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

  2、影响材料切削加工性因素:

  ①物理性能:

  1)导热系数K:导热系数高阳材料允许Vc就高。如用硬质合金刀具切削以下材料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:影响材料热胀冷缩程度而影响加工精度。

  ②化学成分:材料化学成分配比影响材料力学性能、物理性能、热处理性能、金相组织材料切削加工性根本因素。如:

  C:材料含碳量增加,其硬度强度增加。

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

  V:随着它含量增加,材料磨削性能变差。

  Mo:能提高材料强度韧性,但材料导热系数下降。

  W:能提高材料热强性高温强度及常温硬度与强度。但使材料导热系数明显下降。

  Mn:能提高材料硬度强度,使材料韧性下降。当Mn>1.5%时,材料切削加工性变差。

  Si:能使材料导热系数下降。

  Ti:钛易于形成碳化物元素,其加工性也差。

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

  ③材料力学性能:1)硬度强度:材料硬度强度适,其切削加工性比较好,硬度强度越高,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还有金属材料组织细微杂物,如A1203、Si02、Ti02等,它们显微硬度高,对刀具产生机械磨损;其切削加工性也变差。2)韧性α k塑性δ:韧性塑性大材料,切削加工时阻力、变形产生热量就大,其切削加工性也差。3)弹性模量E:它表示材料刚度指标,弹性模量大,表示材料外力作用下不易产生弹性变形。但弹性模量小材料切削过程,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:它硬度强度很低(HB50~90,σb =190~250 MPa)、塑性韧性高(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:它硬度不高(HB200左右),但塑性韧性很高,加工表面硬化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1/3~1/10。

  3、难切削材料切削特点:

  ①切削力大:为切45钢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钢切削温度高:

  TC-4  435℃    GH132  320℃   GH36  270℃    1Cr18Ni9Ti  195℃

  ③加工硬化倾向大:由于部分难切削材料韧性、塑性高,强化系数大;加之切削热作用下吸收周围介质H、O、N等原子,使切削表面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,切45钢好几倍。

  4、改善难切削材料加工性途径:

  ①选用优良刀具材料。②选用合理刀具几何参数。③选用合理切削用量。④选用性能好切削液。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、难切削材料车削:

  1、淬火钢车削:

  ①淬火钢切削特点:1)硬度高:HRC45-70。2)脆性大。3)强度高:σb =2100~2600 MPa,45钢4倍左右。4)切削力大:单位切削力Kc为4500MPa,切45钢2.5倍。5)切削温度高:其导热系数为45钢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1/2,α p、f为切一般钢1/2。

  注意:一股淬火钢耐热性为200~400℃,它硬度随温度增高而降低。而刀具材料(硬质合金、陶瓷、PCBN)耐热性分别为800~1000℃、1200℃、1400~1500℃,利用这一特性,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、高温合金车削

  由于高温合金含有许多高熔点合金元素Fe、Ti、Cr、Ni、V、W、Mo等,这元素与其它合金元素构成纯度高、组织致密奥氏体合金。而具有元素又与非金属元素C、B、N等构成硬度高、比重小、熔点高金属与非金属化台物。使其它切削加工性变得很差。它相对切削加工性只有45钢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:切削表面已加工表面硬度比基体高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:应采用细超细颗粒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 pf>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型浅孔钻;如用高速钢钻头时,加大2巾,修磨α 0b,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1/2~1/3,最好采用自动进给不要切削表而停留。

  4、钛合金车削:

  钛合金近几十年发展起来一种新金属,由于它比强度(σb/ρ=1680/4.5=373,45钢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:相同切削条件下,比切45钢高1倍。2)亲作用大,粘结严重,高温时产生粘结现象。3)化学活性大:高温切削条件下,它与空气O、N、H、C发生反应,生成TiO2、TiN、TiH等硬皮层,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。

  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,应使用活顶尖尼龙作跟刀架心架爪托;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、冷硬铸铁切削:

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

  ①刀具材料:1)硬质合金:应选硬度抗弯强度高硬质合金。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)材料车削:

  热喷涂材料大多多组元高强合金,经高温、高速喷射到工件表面上,使工件表层硬度、耐蚀性、耐磨性耐热性大幅度提高,而得到广泛应用。铜基、铁基粉末喷涂层硬度,较易切削。钴基、镍基粉末喷涂层硬度>HRC50,难切削。钴包WC、镍包WC、镍包Al2O3喷涂层硬度>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、软橡胶切削:

  软橡胶硬度(邵尔A型30~35)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,它具有很好弹性、柔顺性易变性,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:用不含油水溶液。

  8、砂轮车削:

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

  ①为了防止砂轮车削时崩边,采用圆形刀片机夹刀具。

  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、硬质合金车削:

  硬质合金硬度高(HRA85~92.5、HV1300~1650、HRC67~81)、脆性大(σb 900~2500 MPa)。以前只能采用磨削电加工来进行加工。由于PCD、PCBN超硬刀具出现,给车削加工提供了条件。

  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、工程陶瓷车削:

  传统陶瓷用金刚石砂轮磨削。这因为它硬度高(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、复合材料车削:

  复合材料由两种以上不同物理、化学、力学性能物质人工制成多相组成固体材料。如玻璃钢就典型复合材料。复合材料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)。它只有很高比强度比刚度(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。复合材料切削加工时,由于材料导热系数很低(小于一般钢1/16),造成切削温度高,易产生变质软化,纤维树脂性能相差很大,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、减少刀具主偏角进给量切入切出处先倒角等)。

       三、结束语:

  随着科技发展,高性能特殊性能材料出现应用,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,它们有切削加工性极差。为此,我们要了解被加工材料性能,广泛学习他人经验与金切知识,才能顺利地解决生产难切削材料加工。

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