切削工具材料有哪些基本性能（常用材料的切削加工性能）

2023-05-11 00:29:04

良好的切削加工性能：

1）刀具的壽命較高，或在一定的壽命下允許的切削速度較高

2）在相同的切削條件下，切削力較小

3）切削溫度較低，容易獲得較細的表面粗糙度，容易控制切削形狀或者斷屑

工件材料和切削的加工性

本文從工件材料方面分析影響生產率及表面質量的因素，以及提高它們的途徑：從生產實際中了解到，有些材料容易切削（生產率高，表面質量好），而另一些材料卻很切削；分析工件材料的機械物理性能以及化學成分如何影響切削加性，如何提高工件材料的切削加工性。材料的切削加工性是指導某種材料進行切削加工性的難易程度，其易程度，一般與材料的化學成份，熱處理狀態﹑金相組織﹑物理力學性能以及切削條件有關。

一﹑ 衡量切削加工的指標

工件材料的切削加工性，通常用下面的一個或數個指標衡量：

1 ﹑刀具耐用度；

2﹑一定刀具耐用度允許的切削速度；

3﹑切削力；

4﹑切削溫度；

5﹑加工表面粗糙度或表面質量。

目前，常用一定刀具耐用度下充許的切削速度vT作為衡量指標。vT__-指刀具耐用度為T時，切削某種材料的允許的切削速度。vT越高，說明該材料的切削加工性能好。任何事情都是相對而言，那麼對於材料的切削加工性，也要用相對加工性Kr 表示。它的基準是以切削抗拉強度＆b = 0.735Gpa的45＃鋼，耐用度T=60min時的切削速度Vb60為基準。相對加工性就是以該基準與切削其它材料時V60的比值。即

Kr=V60 / Vb60

①當Kr>1時，說明該材料比45﹟鋼易切削；切削加工性好；

②當Kr<1時，該材料比45﹟鋼難切削，切削加工性能差。

常用材料切削加工性，根據相對加工性Kr的大小切分為八級，見表5—1。

二﹑改善材料可切削性的途經

1﹑改善材料的化學成份。

1*在黃銅中加入1％～３％的鉛，在鋼中加入０．１％～０．２５％的鉛。鉛可以球狀粒子存在於材料的金相組織中，切削時能起很好潤滑作用，減少摩擦，使刀具耐

用度和表面質量得提高。

2*在碳鋼中加入MnS,Mn 分布於珠光體中,起潤滑作用,使刀具耐用度和切切削後的表面質量提高，增大脆性，切屑易斷。

2﹑進行適當熱處理：

1*塑性大的材料如低碳鋼，能過正火調質，可降低塑性，提高硬度，容易切削；

2*脆性材料如高碳鋼，白口鑄鐵，經過退火處理，可以降低硬度，改善切削性能；

3*低碳鋼根據泠作硬化，採用泠拔使塑性降低，提高硬度，改善其切削功工性；

三﹑幾種難加工材料的切削功工性：

難加工金屬材料主要有：高強度鋼，超高強度鋼，泠硬鑄鐵，不鏽鋼，鈦合金等。

1﹑高強度鋼，超高強度鋼的切削加工性

高強度鋼，超高強度鋼的半精加工，精加工和部分粗加工常在調質狀態下進行。調質後它們的金相組織，一般為索化體或和託氏體，硬度35～50HRC，抗拉強度&b=0.981Gpa左右，與切削正火狀態下的45鋼相比，其切削力仍高出20～30％，切削溫度高，故刀具磨損快，耐用度低。

切削時常採用的措施：（硬度高前角小，耐磨性好的刀具材料）

① 選用耐磨性好的刀具材料，如YT類硬質合金中添加鉭﹑鈮，提高耐磨性。

② 前角r0應得小些，切削38CrNi3m0Va時，取R0=4～6o，加工35CrMnSiA時，取r0=0～- 4o；

③ 在工藝系統剛性充許的情況下，Kr選得小些，Rs選得大些,以提高刀尖的強度和改善散熱條件;

④ 切削用量應比加工中碳鋼正火時適當降低些.

2﹑高錳鋼的切削加工性.

Mn12,40Mn18Cr4等為高錳鋼常用碑號。經過水韌處理，硬度不高，便塑性特別高，加工硬化特別嚴重，導熱係數很小，因此切削溫度很高，切削力約比切削45鋼時增大60％，高錳鋼比高強度鋼更難加工。

切削時常採取的措施：

1*選用硬度高，有一定韌性，導熱係數較大，高溫性能好的刀具材料。粗加工時，可選用YG類或YW類硬質合金。精加工時可選用YT14或YG6X等硬質合金，若選用複合氧化鋁陶瓷高速精車，效果更好；

2*前角R0不宜選得過大或過小，一般取r0=- 3～3o；

3*切削速度應較低，一般選Vc=20—40m/min,只有用複合氧化鋁陶瓷精車，可以採用Vc>100m/min.ap和f不應選得過小，以免因上道工序的加工硬化難以切下金屬。

3﹑泠硬鑄鐵的切削加工性：

泠硬鑄鐵硬度較高，是其難加工的主要原因。它的塑性很低，刀與屑接觸長度很小，切削力和切削熱都集中在切低削的附近，因而切削刃極易崩刃。

切削時常採取的措施：

1*選用硬度與強度都好的刀具材料。一般均採用細晶粒或細晶粒的YG類硬質合金或用複合氧化鋁對其半精加工或精加工非常有效。

2*為提高刀類和切削刃的強度，取γ0=0～4度，λs=0- -5，Kr適當減小，γs適當加大。

3*不鏽鋼的切削加工性1cr18Ni9Ti和2cr13是難加工不鏽鋼。在切削加工時，因其韌性大，加工硬化嚴重，導熱係數小，致使切削溫度高，刀具磨損快，耐用度降低。、

切削時常採取的措施：

① 對2Cr13進行調質處理，對1G18Ni9Ti在850攝氏度～950攝氏度退火處理；

② 選用YG類硬質合金刀具進行切削加工，以減小粘結。

③ 採用較大的前角，一般取γ0=25—30，以減小加工硬化，採用較小的Kr,以增強刀具的使熱能力。

④ 在切削用量方法，為減小粘結現象，可採用較高或較低的vc.

4﹑鈦合金的切削加工性

加工鈦合金時，刀具磨損快，耐用度低，其原因如下：

① 因鈦的化學性能活潑，在高溫時易與空氣中的氧，氮等元素化合，使材料變脆，因此刀---屑接觸很短（只為鋼的1/3～1/4）；

② 導熱係數極小，僅為45鋼的1/5---1/7，切削熱集中在切削刃的附近，故切削溫度很高，比加工45鋼高出一倍；

③ 加工表面常出現硬而脆的外皮，給後一道工序加工帶來困難。

切削時常採用的措施

① 為避免刀具與工件中的鈦元素親和作用，加工鈦合金時，不宜選用YT類硬質合金，應選用YG類或YW類；

② 為提高切削刃的強度和散熱條件，應取較小的前角，γ0=5---10o；

③ vc不宜選得大高，一般vc=40---50m/min;f與宜適當加大。

已加工表面的精糙度

已加工表面質量的高低，主要從三個方面來考慮：

①表面粗糙度

②表面層泠作硬化程度

③表面層線條應力的性質及其大小。

① 零件的粗糙度值大：a﹑耐磨性差，容易磨損，以致使喪失精度。

B﹑容易造成應力集中，而降低零件的疲勞強度。

c﹑容易被腐蝕。

② 對於塑性材料的工件，已加工表面的金屬層會產生冷作硬化，從而降低零件的抗衝能力；已加工表面會有線條應力存在，表面產生細微裂紋，降低零件的疲勞強度。由此要知，在製造零件時，必須保持零件獲得規定的表面質量，特別是表面粗糙度應受到更大重視，因此，有必要了解已加工表面粗糙度的變化規律。表面粗糙度是從幾何方面表明已加工表面的完整性。

幾何原因形成的表面粗糙度

表面粗糙度是以已加工表面微觀不平度的高度來衡量。切削加工後的已加工表面粗糙度，按其在切削過程中形成的方向分為橫向粗糙度：垂直於切削速度（進給方向）的粗糙度；縱向粗糙度：沿切削速度方向的粗糙度；在普通切削的情況下，（兩切削刃同時參加切削），由於刀具幾何角度和切削刃與工件間相對運動等原因，加工後一部分殘留金屬被殘留在已加工表面上，構成了已加工表面在進給方向的表面粗糙度，下面兩種情況考慮：

1﹑用刀尖圓弧半徑re=0的車進行縱車：

2﹑用刀尖圓弧半徑R>0的車刀進行縱車

假適刀尖圓弧re比較大，主要靠它來切削， ,

切削中不穩定因素形成的表面粗糙度：

切削中不穩定因素形成的表面粗糙度疊加在幾何原因形成的表面粗糙度之上，增大了已加工表面的粗糙度值，不穩定因素有積屑瘤，鱗片，振動，摩擦。刀刃不平整和切屑劃份等因素。

1.積屑瘤的影響:積屑瘤會經常產生，剝落和消失。當積屑瘤產生變化時，一方面使切削刃的形狀發生變化；另一方面碎片會粘結在工期件表面上。

⒉ 鱗刺的影響：鱗刺是在切削過程中已加工表面上形成的魚片狀毛刺，如在較低的VC和較大的f，車，刨，拉，攻螺插齒和滾齒加工中，會出現這種現象，將嚴重影響已加工表面質量。

抑制鱗刺產生的措施，應從減切屑和前面的摩擦入手，此外，增大前角和採用潤滑性能良好的切削液，也可收到良好的效果。

⒊ 振動的影響：在切削過程中，一旦產生振動就會在已加工表面上留下振紋，致使表面粗糙度值明顯加大。根據振動方向的不同，有縱向振紋，橫向振紋，振動不僅惡化於加工表面質量，而且嚴重時影響工具機精度和損壞刀具。

4﹑其它因素的影響：

切削液

在金屬切削中，正確選用切削液，對降低切削溫度和切削力，減小刀具磨損，提高刀具耐用度，改善表面質量，提高生產率，都有非常重要的作用。也是提高金屬切削效益即經濟又簡便的一種方法。

切削液的作用：

1、潤滑作用

1） 定義---潤滑作用是指切削液具有減少前刀面，後刀面與已加工表面間摩擦的能力。

2）機理——切削時，由於部分借給的切液，要達到切屑與前刀面的接觸區十分困難，運動著的金屬表面間，有時被連續的潤滑油膜完全隔開，即流體潤滑，又由於載荷增大，油膜局部被破壞，兩金表面間發生局部接觸，即邊界潤滑，切削過程中的潤滑大都屬於邊界潤滑。切削時，切削液的潤滑能力，取決於切削液的滲逶性，成膜能力和潤滑臘強度。

2﹑泠卻作用

切削溫度和高低，取決天產生熱量與熱量之差，一方面切削液能減小切屑，刀具，工件間的摩擦。減小切削液能將已產生熱量從切削區帶走，使切削溫度降低。泠卻性能的好壞，取絕於切削液的導熱係數，比熱，汽化熱，流量與流速等。如這些物理性能的數值愈大。則切削液的泠卻性能越好。

3﹑清洗與防鏽作用

1）清洗作用是切削液粘結附在工具機，夾具，刀具上的細碎切屑和糜料細粉潔除，以減小刀具磨損，防止劃傷已民加工表面和工具機導軌，清洗性能的好壞，取決於切削液的油性，流動性和使用壓力。

2） 防繡作用，是為保護工件，工具機刀具不周圍介質（空氣等）的影響腐蝕。防繡作用的強弱，取決於切削液本身和添加劑的作用。、

切削液的和類與選用：

金屬切削時使用的切削液分為三種：水溶液，乳化液，切削液。

1）水溶液:水溶液主要成分是水，加入防鏽即可，主要用於磨削。

2）乳化液:乳化液具有良好的泠卻作用，若再加入一定比例的油性劑和防鏽劑，則可成為即能潤滑又可防鏽的乳化劑。

3）切削液:切削液的主要成分是礦物油，礦物油性差。不能形成牢固的吸附膜，潤滑能力差，在低速時，可加入油性劑。在高速或重切削時可再加入極壓添磚加劑。常用切削液的種類與選用見表5-3

影響切削表麵塑性變形和積屑瘤的因素:切削速度v處於20～50m/min時，表面粗糙度值最大，這是由於此時容易產生積屑瘤或鱗刺。積屑瘤已在3.4節中介紹，鱗刺是指切削加工表面在切削速度方向產生的魚鱗片狀的毛刺。在切削低碳鋼、中碳鋼、鉻鋼、不鏽鋼、鋁合金、紫銅等塑性金屬時，無論是車、刨、鑽、插、滾齒、插齒和螺紋加工工序中都可能產生鱗刺。積屑瘤和鱗刺均使表面粗糙度值加大。當切削速度超100m/min時，表面粗糙度值下降，並趨於穩定。在實際切削時，選擇低速寬刀精切和高速精切，往往可以得到較小的表面粗糙度值。

一般說，材料韌性越大或塑性變形趨勢越大，被加工表面粗糙度就越大。切削脆性材料比切削塑性材料容易達到表面粗糙度的要求。對於同樣的材料，金相組織越是粗大，切削加工後的表面粗糙度值也越大。為減小切削加工後的表面粗糙度值，常在精加工前進行調質等處理，目的在於得到均勻細密的晶粒組織和較高的硬度。
此外，合理選擇切削液，適當增大刀具法前角、提高刀具的刃磨質量等。均能有效地減小加工表面粗糙度值。

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影響工件材料切削加工性的因索和改善途徑

1、什麼是難切削材料？所謂難切削材料，就是切削性差的材料，或切削困難的材料。材料的性能如硬度大於250HB，抗拉強度大於1000MPa，延伸率δ大於30％，衝擊值αK大於100MPa，導熱係數K小於41.8W/m.k，都屬於難切削材料。也可用切削過程中的現象(切削力大、切削4溫度離、刀具易磨損、刀具耐用度低、已加工表面質量難於達到要求和切屑難於控制等)來衡量。
2、影響材料切削加工性的因素：
(1)物理性能：
1)導熱係數K：導熱係數高的材料，允許的切削速度Vc就高。如用硬質合金刀具切削下列不同導熱係數的材料所允許用的Vc；
碳鋼 K=48.2～50.2 W/m.k Vc=100～150 m/min
高溫合金 K=8.4～16.7 W/m.k Vc=7～60 m/min
鈦舍金 K=5.44～10.47 W/m.k Vc=15～50 m/min
2)線膨脹係數α：它的大小影響材料在切削時加工時熱脹冷縮程度而影響加工精度。
(2)材料的化學成分：材料的化學成分和配比，是影響材料的力學性能、物理性能、熱處理性能、金相組織和材料的切削加工性的根本因素。如：
碳(C)；材料含碳量增加，其硬度和強度相應增大。含碳量適中(如45號鋼)，其切削加工性好。材料含碳量低，切削加工性也變差。
鎳(Ni)：Ni能提高材料的耐熱性，但材料的導熱係數明顯下降。當鎳大於8％時，形成奧氏體鋼，致使加工硬化嚴重。
釩(V)：隨著材料含釩量的增加，使材料的磨削性能變差。
鉬(Mo)：鉬能提高材料的強度和韌性，但材料的導熱係數下降。
鎢(W)：能提高材料的高溫強度和常溫強度，但使材料的導熱係數明顯下降。
錳(Mn)：錳能提高材料的硬度與強度，但使材料的韌性略降低。當錳大於1.5％時，材料的切削加工性將變差。
矽(Si)：使材料的導熱係數下降。
鈦(Ti)：鈦是易於形成碳化物的元素，其加工性也差。
還有Cr、O、S、P、N、Pb、Cu、Al等元素，都對材料的切削加工性能有影響。
(3)材料的力學性能：
1)硬度和強度：材料的硬度和強度適中，其切削加工性比較好。硬度和強度越高，材料的切削加工性就越差。如火的45號鋼，它的硬度為HB200，抗拉強度σb為640MPa，就好切削；淬火鋼的硬度達HRC55～65，抗拉強度σb達2100～2600MPa，它的切削加工性就很差。
2)韌性和塑性：韌性(衝擊值αK)和塑性(延伸率δ)大的材料，在切削加工時的切削阻力、切削變形和產生的切削熱量就大，其切削加工性也較差。
3)彈性模量：它是表示材料剛度的指標。彈性模量大，示材料在外力作用下不易產生彈性變形。但彈性模量小的材料在切削過程中，彈性恢復大，且與刀具摩擦大，切削也困難。如軟橡膠的彈性模量為2～4MPa，45號鋼E=200000MPa，Mo材E=500000MPa。
3、金相組織：
1)鐵素體：它的硬度和強度很低(HB50～90，σb=190～250MPa)、塑性和韌性高(&=40～50％)，切削時易產生積屑瘤切削加工性較差。
2)珠光體：這種金相組織的材料，切削加工性好，如45號鋼。
3)滲碳體：硬度高，但很脆，切削易崩邊，切削加工性差。
4)奧氏體：它的硬度不高(HB200左右)，但塑性和韌性很高，加工表面硬化嚴重，切削加工性很差。如高溫合金、1Cr18Ni9Ti等。
5)馬氏體：淬火鋼屬於這類金相組織。它的硬度高、脆大，其切削加工性為45號鋼的1/3～1/10。
3、難切削材料的切削特點：
(1)切削力大：單位切削力為切削45號鋼的1.5～2.5倍
(2)切削溫度高：當切削速度Vc=75m／min時，切削以下材料比切削45鋼的切削溫度高：
TC-4 435℃； GH132 320℃；
GH36 270℃； 1Cr18Ni9Ti 195℃
(3)加工硬化傾向大：由於部分難切削材料的塑性、韌性高，強他係數大，加之在切削熱的作用下，吸牧周圍介質中的H、O、N等原子，使切銷表面和已加工表面形成硬脆層，硬化程度比材料基體高50～200％，深度大於0.1mm，是切削45號鋼的好幾倍。
4、改善難切削材料加工性的途徑：
選用性能優良的刀具材料，選用合理的刀具幾何參數，選用合理的切削用量，選用性能好的切削液，對被切削材料進行適當的熱處理，採用其它工藝措施(如離子加熱切削、振動切削、電熔爆等)。