金属材料切削加工性分析

第一章 金属材料切削加工性

切削加工性：Machinability，指金属材料被切削加工成合格零件的难易程度。

例如：以车削45#钢为例：

材料硬度 HB200（正火）

单位切削力 κc=200kg/mm2

用YT15车刀车削： IT8

1.6

νc=120 θ=800ºC

此种车削方法家喻户晓，人人皆知，谁都会做，没什么难点。

1. 铝合金，这是比较好加工的，κc=70， νc=800m/min时，θ也不高，T很长。

2. 灰口铸铁HT200 κc=114 断屑

切削加工性评价指标：

① 刀具耐用度高； T

② 许用切削速度高； νc

③ 已加工表面易于达到； 1.6

④ 车削时断屑；

⑤ 切削力小，切削温度低。 Fc θ

3. 45#淬火 HRC50

切削力Fc大，切削温度θ高，刀具耐用度T低。

一般情况下不车，只能磨削。 IT8 0.8

§1—1 衡量切削加工性指标

以车削45#钢(HB200)为参照基准：

刀具材料：YT15；

刀具耐用度：T=60min；

[ν60]j=100m/min；

当切削LY12 ν60=300m/min相比

60603003100rj

一、称相对加工性

相对加工性比较表

被加工材料 κr相对加工性

45#（正火） 1

铝合金 ≥3

钛合金 0.5

高温合金 0.5

二、衡量指标：

1. 刀具耐用度T：

T较长，加工性较好。

例：45#钢 T=60min

30CrMnSiA T=20min 加工性差。

2. 切削速度νc： 例：45#钢 νc=100m/min YT15

LY12 νc=300m/min

YG15

3003100r 加工性好。

泰勒公式： 0.4cAT

切削速度是根据刀具耐用度确定的。一定刀具耐用度下有一个允许的切削速度νT。

3. 切削力Fc（或者κc）

凡切削力大者，加工性差。

单位切削力κc比较

被加工材料 κc(kg/mm2)

45#钢 200

HT200 114

铝合金 78

4. 切削温度(θ)

凡是切削温度高者，加工性差。

切削温度比较表

被加工材料 切削温度θ(ºC)

45#钢 630

HT200 500

1Cr18Ni9Ti 860

GH131 900

条件： νc=60m/min ap=3 f=0.1 见图（一）

θºC

1200

1000 900 1 2 3

900 (100,800)

800 860

700 630 4

600

500

400 500

300

200

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 νc m/min

图（一）

1—GH131 2—1Cr18Ni9Ti 3—45#钢（正火） 4—HT200

YT15—45# YG8—GH131 1Cr18Ni9Ti HT200

γo=15º α0=8º κr=75º λs=0º γε=0.2 ap=3 f=0.1 5. 已加工表面质量：

包括：表面粗糙度

1.6

表面残余应力

加工硬化程度及深度

① ''44rrarffRctgctgctg

2r 时 ctgκc=0 Ra(µm)

f决定Ra。 8 0Cr12Ni12Mo

νc=60 f= 6

ap=0.5

4

2

0

0.1 0.2 0.3 f

② 残余应力：

在没有外力作用的情况下，物体内部保持平衡而存在的应力。

产生的原因有：热塑变形效应，里层金属弹性的恢复，表层金属在切削热的作用下发生相变。

+σ kg/mm2 残余应力

15

10

5

0

-σ 0.5 1 1.5 2 mm

-5

距表面深度

车削 νc=32m/min

③ 加工硬化程度及深度

冷硬层的硬度为材料的2倍；

深度为：0.12—0.24

6. 断屑：

f≥0.2时 (νc=100) 车削45#钢断屑。

7. 还可以用加工费用和加工时间对比。

§1—2 工件材料对加工性的影响

一、金属材料的化学成份对加工性的影响

1. 碳C

10#钢为低碳钢，含C0.1%，韧性好，难断屑。采用正火方法，提高其硬度。

45#钢为中碳钢，含C0.45%，综合性能好，易切，硬度HB200。

80#钢为高碳钢，含C0.8%，含Fe3C多，材料硬，刀具磨损严重。加工前采用退火处理，使其软些。

2. 铬Cr

在铁素体中固溶；形成CrC；HB和σb提高。

3. 镍Ni

在铁素体中固溶；σb，δ提高，导热系数λ下降。

当Ni>8%时，变为奥氏体钢，加工硬化严重，切削加工性变差。

4. 锰Mn

随着Mn含量增加，HB，σb增大，延伸率δ下降。

当Mn>1.5%时，加工性差。也就是高锰钢。

5. 钒 V

形成vc，细化晶粒，HB↑ δ↓，当1%V时，加工性差。

6. 钼Mo

形成MoC, HB↑, (δ↓), Mo>0.5%时，κr↓。

7. 硅Si

在铁素体中固溶HB↑, (δ↓), λ↓, SiO2加剧刀具磨损。

8. 其它：

MnS—非金属夹杂物，呈微粒均匀分布，塑性好，有润滑作用。

铅Pb—单相微粒均匀分布，破坏铁素体连续性，有润滑作用。

相对加工性计算公式：

κr=1.57(1.6)—0.7C—0.15Mn—0.1Si—0.1Ni—0.06Cr—0.06Mo

例子：30CrMnSiMoV

κr=1.57—0.7×0.4—0.15×1—0.1×1.4—0.06×1.4—0.06×0.5=0.9

二、热处理状态和金相组织对κr的影响：

1. 铁素体：80HBS σb=29kg/mm2

C溶解于α—Fe中为固溶体。723ºC溶解量最高为0.02%，接近纯铁，韧性好，(δ=50%)难断屑。

2. 珠光体（正火）：HBS260 σb=128 δ=20%

由铁素体和Fe3C层片交替组成。是铁素体和Fe3C的共析物。

3. 索氏体和屈氏体（调质）

铁素体和Fe3C混合物。比珠光体细。

450—600ºC回火——索氏体

300—450ºC回火——托氏体

4. 马氏体 (HRC50) 淬火

C在α—Fe中的过饱和固溶体。奥氏体急冷形成马氏体。

100—250ºC回火获针状马氏体。760HBS σb=206 δ=2.8% 5. 奥氏体

C在γ—Fe中的固溶体。含 (NiCrMn) 在常温下形成。

碳钢在高温下 (727ºC) 奥氏体稳定。220HBS σb=103 δ=50%

三、材料力学性能和物理性能

材料的化学成分和热处理方法决定了材料的力学性能。

例如：45#钢

正火 HBS200 σb=60kg/mm2

调质 HRC30 σb=75

淬火 HRC50 σb=140

20#钢 σb=3.6HBS

45#钢 σb=3.4HBS

80#钢 σb=3.25HBS

1. 硬度 (160—200HBS) 强度HB↑—κr↓

crHBFHBHBT

淬火钢 (HRC50) 为难加工

2. 塑性δ

塑性材料随着延伸率增大，需要的变形能增大；且加工硬化严重，切削力Fc增大，切削温度θ升高，刀具磨损严重。

例：45#钢 δ=16%

1Cr18Ni9Ti δ=50% 难加工材料

固溶强化奥氏体不锈钢。

3. 导热系数λ（物理性能）

45#钢 λ=0.12cal/cm·s·ºc

凡是导热差的材料，切削热散不出去，由刀具导热，使切削区温度θ升高，加工性变差。

例如：YL12，HT60 散热快—κr=3

1Cr18Ni9Ti，TC4，GH135—κr=0.5

λ=(1/3—1/5) 45#(λ)

第二章 钛合金切削加工

§2—1 钛合金的分类及力学性能

一、钛合金分类：

钛是同素异构体。是α—Ti是低温稳定结构，呈密排六方晶格；β—Ti是高温稳定结构，呈体心立方晶格；882ºC为同素异构转变温度。在这两种组织中加入各种不同原素，室温下获得三种基本组织：

1. α钛合金

α相固溶体组成的单相合金。

500—600 ºC保持强度；

抗蠕变能力强；

抗氧化能力强； 不能热处理强化。

TA8—5Al—2.5Sn—3Cu—1.5Zr

2. β钛合金

β相固溶体组成的单相合金。

淬火时效强化可达167kg/mm2；

热稳定性差。

TB2：5Mo—5V—8Cr—3Al

3. α+β钛合金

α和β两相组成，α为主，β<30%

高温变形好；塑性好；

淬火+时效强化；

400—500 ºC长期工作。

TC4—Ti—6Al—4V

二、钛合金的力学性能及物理性能

TC4与TC10比较：

随着合金原素增加，σb增大δ下降。见表2—1

牌号 化学成份 热处理 σbkg/mm2 δ% κ

/wmC 高温σb

TA1 纯钛 650—700 ºC

1h空冷 34 25

TA3 纯钛 650—700 ºC

1h空冷 54 15

TA5 Ti—4Al 700—850 ºC

1h空冷 69 15

TA8 Ti—5Al—2.5Sn—3Cu—1.5Zr 650—700 ºC

1h空冷 98 10 7.5 500ºC

69

TB1 3Al—8Mo—11Cr

TB2 5Mo—5V—8Cr—3Al 800—850 ºC淬火时效450—500 ºC 8h空冷 137 18

TC1 2Al—1.5Mn 1h空冷