哈工大版金属切削原理与刀具课件第8章

第8章工件材料的切削加工性与切削液8.1工件材料的切削加工性8.1.1切削加工性的相对性材料的切削加工性是指在一定条件下对某种材料进行切削加工的难易程度。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为基准。如称高强度钢比较难加工，就是相对于45钢而言的。•8.1.2衡量材料切削加工性的指标•根据不同的要求，可以用不同的指标来衡量材料的切削加工性。•1．以刀具使用寿命衡量加工性•在相同切削条件下加工不同材料时，若在一定切削速度下刀具寿命T较长或一定寿命下所允许的切削速度vc较高的材料，则其加工性较好；反之，其加工性较差。•2.以切削速度vT衡量加工性•在刀具使用寿命T相同的情况下，切削速度vT较高的材料，则其加工性较好；反之，其加工性较差。如将寿命T定为60min，则vT可写作v60。一般以正火状态45钢的v60为基准，写作（v60）j，然后把其它各种材料的v60于之相比，这个比值Kv，称为相对加工性，即：•Kv＝V60／(V60)j•常用工件材料的相对加工性可分为八级，Kv大于1的材料，其加工性比45钢好；Kv小于1者，加工性比45钢差。vT和Kv是最常用的加工性衡量指标，在不同的加工条件下都使用。加工性等级名称及种类相对加工性Kv典型材料1很容易切削材料一般有色金属3.05-5-5铜铅合金,9-4铝铜合金,铝镁合金2容易切削材料易切削钢2.50～3.00退火15Cr,σb=0.37～0.441GPa自动机钢,σb=0.393～0.491GPa3较易切削钢1.60～2.50正火30钢σb=0.441～0.549GPa4普通材料一般钢及铸铁1.00～1.6045钢,灰铸铁5稍难切削材料0.65～1.002Cr13调质,σb=0.834GPa85钢σb=0.883GPa6难切削材料较难切削材料0.50～0.6565Mn调质,σb=1.03GPa45Cr调质,σb=0.932～0.981GPa7难切削材料0.15～0.5050CrV调质,1Cr18Ni9Ti,某些钛合金8很难切削材料0.15某些钛合金,铸造镍基高温合金•3.以切削力或切削温度衡量加工性•在相同切削条件下加工不同材料时，凡切削力大、切削温度高的材料加工性差；反之加工性好。切削力大，则消耗功率多。在粗加工或机床刚性、动力不足时，可用切削力作为衡量加工性指标。•4.以加工表面质量衡量加工性•切削加工时，凡容易获得好的加工表面质量(含表面粗糙度、加工硬化程度和表面残余应力等)的材料，其切削加工性较好，反之较差。精加工时，常以此作为衡量加工性的指标。•5.以断屑性能衡量加工性•切削加工时，凡切屑易于控制或断屑性能良好的材料加工性较好，反之则较差。在自动机床或自动线上，常以此为衡量加工性指标。8.2影响工件材料切削加工性的因素及改善途径•8.2.1影响工件材料切削加工性的因素•工件材料的物理力学性能、化学成分和金相组织是影响加工性的主要因素。•1．材料的物理力学性能•⑴硬度•硬度高的材料，切削时刀屑接触长度小，切削力和切削热集中在刀刃附近，刀具易磨损、寿命低，所以加工性不好。如高温合金、耐热钢，由于高温硬度高，高温下切削时，刀具材料与工件材料的硬度比降低，使刀具磨损加快，加工性差。另外，硬质点多和加工硬化严重的材料，加工性也差。并不是材料的硬度越低，越好加工。有些金属如低碳钢、纯铁、纯铜等硬度虽低，但塑性很高，也不好加工。硬度适中(HBl60—200)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。•⑵强度•强度高的材料，切削时力大、温度高，刀具易磨损，加工性不好。如1Cr18Ni9Ti，常温硬度不太高，但高温下仍能保持较高强度，故加工性差。•⑶塑性和韧性•强度相近的同类材料，塑性越大，切削中塑性变形和摩擦越大，故切削力大、温度高，刀具易磨损。在低速度切削时，还易产生积屑瘤和鳞刺，使加工表面粗糙度增大，且断屑也较困难，故加工性差。另外塑性太小的材料，切削时切削力、热集中在刀刃附近，刀具易产生崩刃，加工性也较差。在碳素钢中，低碳钢的塑性过大，高碳钢的塑性太小、硬度又高，故它们的加工性都不如硬度和塑性都适中的中碳钢好。•⑷热导率•热导率通过对切削温度的影响而影响材料的加工性。导热率大的材料，由切屑带走和工件散出的热量多，有利于降低切削温度，使刀具磨损速率减慢，故加工性好。另外，韧性大，与刀具材料的化学亲和性强的材料，其加工性也不好。•2.材料的化学成分•（1）对钢主要是通过对材料物理力学性能的影响来影响切削加工性。•1）碳对切削加工性的影响•碳素钢的强度、硬度随含碳量的增加而提高，而塑性、韧性则随含碳量的增加而降低。低碳钢的塑性、韧性较高，高碳钢的硬度及强度较高，这都给切削加工带来一定的困难。中碳钢的硬度、强度、塑性及韧性居于高碳钢与低碳钢之间，所以切削加工比较容易。•2）合金元素对切削加工性的影响•在金属中加入合金元素，一般将提高材料的力学性能，并改变材料的物理性能，从而提高了金属的反切削能力。故一般降低切削加工性，硅、铬、镍、钒、钼、钨、镉等合金元素的加入均会降低材料的可切削加工性。硫、硒、铅等合金元素的加入可改善材料的可切削加工性。•（2）铸铁中化学元素对切削加工性的影响，主要取决于这些元素对碳的石墨化作用。•铸铁中的碳元素以两种：Fe3C与游离石墨形式存在。石墨具有润滑作用，铸铁中的石墨愈多，愈容易切削，因此，铸铁中如含有Si、Al、Ni、Cu、Ti等促进石墨化的因素，能改善其加工性；而含有Cr、Mn、V、Mo、Co、S、P等阻碍石墨化的元素，则会使切削加工性变差。Fe3C的存在会加快刀具的磨损。•3.材料的金相组织•一般情况下，塑性、韧性高或硬度、强度高的组织构成的材料，则切削加工性差。反之则好。•钢铁材料中，不同的金相组织具有不同的力学性能，因此工件材料中，金相组织及其含量不同时，其加工性也不同。铁素体塑性和韧性很高、硬度低，故切削时粘结严重，加工性不好。珠光体呈片状分布时硬度较高，刀具磨损较严重，而呈球状分布时硬度较低切削加工性较好。奥氏体硬度不高但塑性和韧性很高，切削时变形及加工硬化严重，切削加工性较差。马氏体、索氏体及托氏体的硬度较高切削加工性差。•灰铸铁是Fe3C和其他碳化物与片状石墨的混合体。它的硬度虽与中碳钢相近，但抗拉强度和延伸率均甚小，即脆性很大，切削力较小。球墨铸铁和可锻铸铁的抗拉强度和延伸率显著提高，但仍低于钢料，它们的切削加工性比灰铸铁和钢料都要好。•8.2.2改善材料切削加工性的途径•1．调整化学成分•材料的化学成分对其力学性能和金相组织有重要影响。在满足要求的条件下，通过调整工件材料的化学成分，可使其切削加工性得以改善。目前，生产上使用的易切钢就是在钢中加入适量的易切削元素S、P、Pb、Ca等制成的。这些元素在钢中可起到一定的润滑作用并增加材料的热脆性。•2．对工件材料进行适当的热处理•通过热处理工艺方法，改变钢铁材料中的金相组织是改善材料加工性的另一重要途径。高碳钢通过球化退火处理，使片状渗碳体组织转变为球状，降低了材料的硬度，从而可改善了其加工性。低碳钢通过正火处理，可减小其塑性，提高硬度，使加工性得到改善。8.3切削液及其合理选用•8.3.1切削液的基本性能和种类•1.切削液的基本性能•（1）冷却作用•切削液的冷却作用主要靠热传导带走大量的热来降低切削温度，冷却性能取决于它有导热系数、比热容、汽化热、汽化速度、流量、流速等。水溶液的冷却性能最好，切削油较差。•（2）润滑作用•切削液的润滑作用是通过切削液的渗透作用到达切削区后，在刀具、工件、切屑界面上形成吸附膜实现的。金属切削时切屑、工件与刀具界面的摩擦可分为干摩擦、液体润滑摩擦和边界润滑摩擦三类。•加入切削液后，切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜，金属直接接触面积很小或近于零，形成液体润滑。但很多情况下，由于切屑、工件与刀具界面承受很大载荷、较高的温度，液体油膜大部分被破坏，造成部分金属直接接触，部分吸附膜仍存在润滑作用，这种状态称之为边界润滑摩擦。金属切削中的润滑大都属于边界润滑状态。•边界润滑状态下，切削液的润滑性能与其渗透性、成膜能力以及形成吸附膜的强度有关。•（3）清洗作用•切削液具有冲刷切削中产生的碎屑（如磨削）的作用。清洗性能的好坏，与切削液的渗透性、流动性和使用的压力有关。•（4）防锈作用•切削液应具有一定的防锈作用，以减少工件、机床、刀具的腐蚀。防锈作用的好坏，取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的性质。•2.切削液的分类•常用的切削液可分为三大类：水溶液、切削油、乳化液。•1.水溶液•水溶液的主要成分是水，冷却性能好，配成液呈透明状，便于操作者观察。但单纯的水容易使金属生锈，且润滑性能欠佳。因此，经常在水溶液中加入一定的添加剂，使其既能保持冷却性能又有良好的防锈性能和一定的润滑性能。•2.切削油•切削油的主要成分是矿物油，少数采用动植物油或复合油。纯矿物油不能在摩擦界面上形成坚固的润滑膜，润滑效果一般。在实际使用中常常加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂以提高其润滑和防锈性能。动植物油有良好的油性，适于低速精加工，但是它们容易变质，因此最好不用或少用，而应尽量采用其他代用品，如含硫、氯等极压添加剂的矿物油。•3.乳化液•乳化液是将乳化油用水稀释而成。乳化油是由矿物油、乳化剂及添加剂配成，用95—98％水稀释后即成为乳白色或半透明状的乳化液。•乳化液具有良好的冷却作用，但因为含水量大，所以润滑、防锈性能均较差。为了提高其润滑性能和防锈性能，可再加入一定量的油性、极压添加剂和防锈添加剂，配制成极压乳化液或防锈乳化液。•表面活性剂•乳化剂是一种表面活性剂，是使矿物油和水乳化形成稳定乳化液的添加剂。表面活性剂是由亲水极性基团和亲油非极性基团两部分组成。乳化剂加入油与水中，它能定向地排列并吸附在油水两界面上，极性端向水，非极性端向油，把油和水连接起来，降低油—水的界面张力，使油以微小的颗粒稳定地分散在水中，形成稳定水包油乳化液，金属切削时应用的就是这种水包油的乳化液。•8.3.2切削液的合理选用和使用方法•1.切削液的合理选用•（1）粗加工粗加工切削用量大，产生大量的切削热。这时主要是求降低切削温度，应选用冷却为主的切削液，如3%～5%乳化液。•硬质合金刀具耐热性较好，一般不用切削液。如要使用切削液，必需连续、充分地浇注，以免因冷热不均产生很大的热应力，而导致热裂，损坏刀具。•低速切削宜选切削油，高速切削宜选乳化液或水溶液。•（2）精加工精加工对工件表面粗糙度和加工精度要求较高，因此选用的切削液应具有良好的润滑性能。低速精加工钢料时可选用极压切削油或高浓度极压乳化液。精加工铜、铝及其合金或铸铁时，可选用高浓度乳化液。因硫酸能腐蚀铜，在切削铜料时不宜用含硫的切削液。•（3）难加工材料的切削加工难加工材料时，接触面均处于高温高压边界摩擦状态。因此，宜选用极压切削油或极压乳化液。•（4）磨削加工其特点是温度高同时产生大量的细屑、砂末。故应选用有良好冷却清洗作用的切削液。常用有润滑性能和防锈作用的乳化液和水溶液。•2.切削液的使用方法•常见的切削液使用方法有浇注法、高压冷却法和喷雾冷却法：•1）浇注法•浇注法使用方便，应用广泛，但流量慢、压力低，较难直接进入刀刃最高温度处，故效果较差。使用时应使切削液尽量接近切削区。当用不同刀具切削时，最好能根据刀具的形状和切削刃的数目，相应地改变浇注口的形式和数目。•2）高压冷却法•深孔加工时，利用高压的切削液，可以直接接近切削区起冷却、润滑作用，并将碎断的切屑随液流带出孔外。高压冷却法还可用于高速钢车刀进行难切削材料的车削，可显著提高刀具耐用度。切削液可用一般乳化液也可用切削油。由于切削液的高速流动，改善了渗透性，易于达到切削区，提高了冷却效果。缺点是飞溅严重，需加护罩。•3）喷雾冷却法•喷雾冷却法是以0.3～0.6MPa的压缩空气，通过喷雾装置使切削液雾化、喷出，高速喷射到切削区。高速气流带着雾化成微小液