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难切削材料如何加工?

一、概论:

  1、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>250σb>1000 MPaδ>30%αk>100 MPaK<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:

  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=48.250.2 W/m?k Vc=100150 m/min

  高温合金K=8.416.7 W/m?k Vc= 760 m/min

  钛合金K=6.39.6 W/m?k Vc= 1550 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。

  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。

  NiNi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CrOSPNPbCuAl等元素都对材料的切削加工性有影响。

  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:HB200σb 640 MPa;淬火45钢:HRC45σb 21002600 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A1203Si02Ti02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αk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==24MP;45E=200000 MPaMoE=500000 MPa

  金相组织:1)铁素体:它的硬度和强度很低(HB5090σb =190250 MPa)、塑性和韧性高(δ=4050%),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。(45) 3)渗碳体:硬度高(HRC66-70),但很脆(αk=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1/31/10

  3、难切削材料的切削特点:

  切削力大:为切45钢的1.52.5

  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 435GH132 320GH36 2701Cr18Ni9Ti 195

  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HON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50200%.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:

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

  二、难切削材料的车削:

  1、淬火钢的车削:

  淬火钢的切削特点:1)硬度高:HRC45-702)脆性大。3)强度高:σb =21002600 MPa,是45钢的4倍左右。4)切削力大:单位切削力Kc4500MPa,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

  刀具与切削用量:1)刀具材料:PCBN、陶瓷、硬质合金(600610YS8YT05758813)等。2)刀具几何参数:γ0=0-10°,工件硬度和连续切削时γ0=-10-30°α0=810°κr=3060°λs=0-3°3)切削用量:硬质合金Vc=3050m/min;陶瓷刀具Vc=60120m/minPCBN刀具Vc=100200 m/min,断续切削时Vc为上述的1/2αpf为切一般钢的1/2

  注意:一股淬火钢的耐热性为200400,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8001000120014001500,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FeTiCrNiVWMo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CBN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520%

  切削特点:1)切削力大:比切削一般钢材大23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。

  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

  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。α0=1015°,粗车λs =-10°,精车λs =0κr=4575°

  切削用量:1)高速钢刀具:Vc=38m/min2)硬质合金刀具:Vc=1060 m/min。变形高温合金:Vc=4060m/min。铸造高温合金:Vc=710m/minαpf>0.1mm

  切削液:同不锈钢。

  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α0bVc3 m/minf0.20.3mm/r;钻头要锋利,磨钝标准为一般钢材的1/21/3,*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(σbρ=16804.5=373,是45钢的4.5)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。

  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ONHC发生反应,生成TiO2TiNTiH等的硬皮层,给切削带来困难。

  刀具材料:1)高速钢:除普通高速钢外,*好选用高钒、高钴、含铝高速钢。2)硬质合金:YG8YG6XYG6A813643YS27YD15.3)PCDPCBN天然金刚石。

  刀具几何参数:γ0=515°α0≥15°

  切削用量:1)高速钢刀具:Vc=812 m/min2)硬质合金刀具:Vc=1560 m/min3)PCDPCBN天然金刚石刀具:湿切Vc=200 m/min:干切Vc=100 m/minαp>0.05mmf>0.05mm/r

  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。

  注意:车削细长轴()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。

  刀具材料:1)硬质合金:应选硬度和抗弯强度高的硬质合金。YS2YS8YS106006107262)陶瓷:SG4AT6SMFT80FT853)PCBN:用于精车。

  刀具几何参数:1)硬质合金:γ0=0-5°α0=510°κr≤45°(κr=45°)λs =-5~一10°γε=0.51 mm

  切削用量:1)硬质合金刀具:粗加工Vc=710m/minαp=510mmf=0.51.5mm/r。精加工:Vc=1520m/minαp=0.52mmf=0.3O.5mm/r2)陶瓷刀具:Vc=4050m/minαp=0.52mmf=0.30.6mm/r3)PCBN刀具:Vc=6070m/minαp=0.52mmf=0.10.3mm/r

  6、热喷涂()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,*难切削。

  刀具材料:

  1)硬质合金:硬度>HRC45,采用YGYW硬质合金;硬度,采用600610726767YD05YC12YS2YS8:硬度>HRC65,采用YG3XYD05YC09YC12YS8600610

  2)陶瓷刀具:PCBN

  刀具几何参数:γ0=0-5°α0=812°κr≤45°

  切削用量:硬质合金Vc=640m/min;陶瓷刀具Vc=1880m/minPCBN刀具:Vc=24160m/minαp=0.150.6mmf=0.11mm/r

7、软橡胶的切削:

  软橡胶的硬度(邵尔A3035)和强度(σb 2025 MPa)极低,导热性极差(0.14W/m?k)、塑性极高(δ=500700)、弹性模量极小(24 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。

  刀具材料:高速钢、YG类硬质合金。

  刀具几何参数: γ0=4555° α0=1015°β0=2030°;刮削时,γ0=0°α0=70°,还用割刀(β0=510°),套料刀。

  切削用量:Vc≤100 m/minαp=25mmf=0.50.7 mm/r

  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18002450HV,碳化硅磨料的硬度为31003400HV,采用PCDPCBN刀具来车削这两种磨料的砂轮,如同用刀切豆腐一样容易。

  为了防止砂轮在车削时崩边,采用圆形刀片的机夹刀具。

  刀具几何参数:圆形刀片γ0=-8-10°α0=810°

  切削用量:Vc=3050m/minαp=45mmf=11.5 mm/r

  9、硬质合金的车削:

  硬质合金的硬度高(HRA8592.5HV13001650HRC6781)、脆性大(σb 9002500 MPa)。以前只能采用磨削和电加工来进行加工。由于PCDPCBN超硬刀具的出现,给车削加工提供了条件。

  刀具材料:PCDPCBN刀具几何参数:γ0=0-5°α0=6κr≤3045°

  切削用量:Vc=2035m/minαp=0.11.5mmf=0.050.15 mm/r

  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(11002250HV)、抗弯强度低(4501300MPa)、弹性模量高(315000400000MPa)所致。

  刀具材料:PCDPCBN;易切陶瓷,也可用硬质合金,但刀具耐用度低。

  刀具几何参数:γ0=-10-15°α0=812°κr=3060°。为了使切出切入平稳,也可采用圆刀片。

  切削用量:用硬质合金刀具车易切陶瓷Vc=1020m/min。用PCDPCBN刀具Vc=3060m/minαp=0.12mmf=0.050.1 mm/r

  切削液:一股使用乳化液。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38),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。

  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PCDPCBN刀具。

  刀具几何参数:一般情况下γ0=-10-15°α0=1012°γε=13mm,车螺纹时为防止崩牙γt=-15-25°

  切削用量:高速钢刀具Vc=1O15 m/min硬质合金刀具Vc=4080m/minPCDPCBN刀具Vc=80120m/minf=0.20.5 mm/rαp无特殊要求。

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

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