全面解析金属材料的切削加工性能

2019-11-29

金属材料切削加工性的概念

金属材料的切削加工性能通常是指金属材料所具有的能明确地定义和度量为其可被切削加工难易程度标志的一种性能或品质。一般来说，良好的切削加工性应该是：刀具耐用度较好或在一定耐用度下切削速度较高、切削力较小、切削温度较低、容易获得较好的工件表面质量和切屑形状容易控制或容易断屑。

材料的切削加工性的概念具有相对性。所谓某种材料切削加工性好坏，是相对于另一种材料而言的。一般在讨论钢料的切削加工性时，习惯地以碳素结构钢45为参考基准。如称高强度钢比较难加工，就是相对于45钢而言的。

刀具的切削性能与切削加工性的关系最为密切，不能脱离刀具的切削性能孤立地去讨论被加工材料的切削加工性，而是应将两者结合起来研究。在了解了工件材料的切削加工性并采取了有效措施之后，就能够提高加工效率，保证加工质量，降低加工成本。


评定工件材料的切削加工性的主要指标

材料的切削加工性是指导某种材料进行切削加工性的难易程度，其易程度，一般与材料的化学成份，热处理状态﹑金相组织﹑物理力学性能以及切削条件有关。工件材料的切削加工性，通常用下面的一个或数个指标衡量：

1、以刀具寿命来衡量

在保证相同刀具耐用度的前提下，切削某种工件材料所允许的切削速度；

2、以加工质量如表面光洁度来衡量

3、以单位切削力来衡量

4、以极限金属切除率来衡量

5、以断屑性能，包括切屑形状来衡量



影响金属材料切削加工性的因素

1.材料的强度和塑性

以工件材料的硬度（包括常温硬度和高温硬度）来说，一般情况下，同类材料中常温硬度高的加工性低。因为材料硬度高时，切屑与前刀面的接触长度减小，因此前刀面上切应力增大，摩擦热量集中在较小的刀-屑接触面上，促使切削温度增高和磨损加剧，在硬度过高时甚至引起刀尖的烧损及崩刃。以钢材为例，硬度适中的钢材较好加工。此外，适当提高材料的硬度，有利于获得较好的加工表面质量。材料的塑性通常以延伸率表示。一般，材料的塑性越大，越难加工。因为塑性大的材料，加工变形和硬化、刀具表面的冷焊现象都比较严重，不易断屑，不易获得好的已加工表面质量。

2.材料的韧性

韧性以冲击值表示。材料的韧性越高，则切削时消耗能量越多，切削力和切削温度也都较高，且不易断屑，故加工性较差。有些合金结构钢不仅强度高于碳素结构钢，冲击值也较高，故较难加工。

其他物理机械性能对切削加工性也有一定影响。如线膨胀系数大的材料，加工时热胀冷缩，工件尺寸变化很大，故不易控制精度。弹性模量小的材料，在已加工表面形成过程中弹性恢复大，易与后刀面发生强烈摩擦。

某些材料的化学性质也在一定程度上影响切削加工性。如切削镁合金时，粉末状的碎屑易与氧化合而燃烧。切削钛合金时，高温下易从大气中吸收氧、氮，形成硬而脆的化合物，使切屑成为短碎片，切削力和切削热都集中在切削刃附近，从而加速了刀具的磨损。

3.材料的金相组织和热处理方式

金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。

整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。

退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。

淬火是将工件加热保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。

“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。

把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。

表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。

4.机械特性

不同的机床和机床不同的参数对金属材料的切削加工性能也会有不同程度的影响。

改善材料可切削性的途经

1.改善材料的化学成份

以常用金属为例，在黄铜中加入1%～3%的铅，在钢中加入0.1%～0.25%的铅。铅可以球状粒子存在于材料的金相组织中，切削时能起很好润滑作用，减少摩擦，使刀具耐用度和表面质量得以提高。在碳钢中加入MnS，它分布于珠光体中，起润滑作用，使刀具耐用度和切切削后的表面质量提高，增大脆性，切屑易断。

2.材料加工前进行合适的热处理

低碳钢通过正火处理后，细化晶粒，硬度提高，塑性降低，有利于减小刀具的粘结磨损，减小积屑，改善工件表面粗糙度；高碳钢球化退火后，硬度下降，可减小刀具磨损；不锈钢以调质到HRC28为宜，硬度过低，塑性大，工件表面粗糙度差，硬度高则刀具易磨损；

白口铸铁可在950～1000℃范围内长时间退火而成可锻铸铁，切削就较容易。
3.选加工性好的材料状态

低碳钢经冷拉后，塑性得以下降，加工性好；

锻造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改为热轧后加工性得以改善。

4.其它

    采用合适的刀具材料，选择合理的刀具几何参数，合理地制订切削用量与选用切削液等也能影响材料的切削加工性能。