金屬材料的可加工性

曉昀

% P2 J% Z# Y6 m  {" q4 n金屬材料切削加工性的概念

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金屬材料的切削加工性能通常是指金屬材料所具有的能明確地定義和度量為其可被切削加工難易程度標(biāo)志的一種性能或品質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，良好的切削加工性應(yīng)該是：刀具耐用度較好或在一定耐用度下切削速度較高、切削力較小、切削溫度較低、容易獲得較好的工件表面質(zhì)量和切屑形狀容易控制或容易斷屑。

材料的切削加工性的概念具有相對(duì)性。所謂某種材料切削加工性好壞，是相對(duì)于另一種材料而言的。一般在討論鋼料的切削加工性時(shí)，習(xí)慣地以碳素結(jié)構(gòu)鋼45為參考基準(zhǔn)。如稱(chēng)高強(qiáng)度鋼比較難加工，就是相對(duì)于45鋼而言的。

刀具的切削性能與切削加工性的關(guān)系最為密切，不能脫離刀具的切削性能孤立地去討論被加工材料的切削加工性，而是應(yīng)將兩者結(jié)合起來(lái)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，就能夠提高加工效率，保證加工質(zhì)量，降低加工成本。

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評(píng)定工件材料的切削加工性的主要指標(biāo)

材料的切削加工性是指導(dǎo)某種材料進(jìn)行切削加工性的難易程度，其易程度，一般與材料的化學(xué)成份，熱處理狀態(tài)﹑金相組織﹑物理力學(xué)性能以及切削條件有關(guān)。工件材料的切削加工性，通常用下面的一個(gè)或數(shù)個(gè)指標(biāo)衡量：

1、以刀具壽命來(lái)衡量

在保證相同刀具耐用度的前提下，切削某種工件材料所允許的切削速度；

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2、以加工質(zhì)量如表面光潔度來(lái)衡量

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3、以單位切削力來(lái)衡量

4、以極限金屬切除率來(lái)衡量

5、以斷屑性能，包括切屑形狀來(lái)衡量

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影響金屬材料切削加工性的因素

1.材料的強(qiáng)度和塑性

以工件材料的硬度（包括常溫硬度和高溫硬度）來(lái)說(shuō)，一般情況下，同類(lèi)材料中常溫硬度高的加工性低。因?yàn)椴牧嫌捕雀邥r(shí)，切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度減小，因此前刀面上切應(yīng)力增大，摩擦熱量集中在較小的刀-屑接觸面上，促使切削溫度增高和磨損加劇，在硬度過(guò)高時(shí)甚至引起刀尖的燒損及崩刃。以鋼材為例，硬度適中的鋼材較好加工。此外，適當(dāng)提高材料的硬度，有利于獲得較好的加工表面質(zhì)量。材料的塑性通常以延伸率表示。一般，材料的塑性越大，越難加工。因?yàn)樗苄源蟮牟牧?，加工變形和硬化、刀具表面的冷焊現(xiàn)象都比較嚴(yán)重，不易斷屑，不易獲得好的已加工表面質(zhì)量。

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2.材料的韌性

韌性以沖擊值表示。材料的韌性越高，則切削時(shí)消耗能量越多，切削力和切削溫度也都較高，且不易斷屑，故加工性較差。有些合金結(jié)構(gòu)鋼不僅強(qiáng)度高于碳素結(jié)構(gòu)鋼，沖擊值也較高，故較難加工。

其他物理機(jī)械性能對(duì)切削加工性也有一定影響。如線(xiàn)膨脹系數(shù)大的材料，加工時(shí)熱脹冷縮，工件尺寸變化很大，故不易控制精度。彈性模量小的材料，在已加工表面形成過(guò)程中彈性恢復(fù)大，易與后刀面發(fā)生強(qiáng)烈摩擦。

某些材料的化學(xué)性質(zhì)也在一定程度上影響切削加工性。如切削鎂合金時(shí)，粉末狀的碎屑易與氧化合而燃燒。切削鈦合金時(shí)，高溫下易從大氣中吸收氧、氮，形成硬而脆的化合物，使切屑成為短碎片，切削力和切削熱都集中在切削刃附近，從而加速了刀具的磨損。

3.材料的金相組織和熱處理方式

金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理三大類(lèi)。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類(lèi)又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類(lèi)繁多。

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整體熱處理是對(duì)工件整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以改變其整體力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。

退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時(shí)用于對(duì)一些要求不高的零件作為最終熱處理。

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淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其他無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時(shí)變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱(chēng)為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用，缺一不可。

“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝。為了獲得一定的強(qiáng)度和韌性，把淬火和高溫回火結(jié)合起來(lái)的工藝，稱(chēng)為調(diào)質(zhì)。某些合金淬火形成過(guò)飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當(dāng)溫度下保持較長(zhǎng)時(shí)間，以提高合金的硬度、強(qiáng)度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱(chēng)為時(shí)效處理。

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把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行，使工件獲得很好的強(qiáng)度、韌性配合的方法稱(chēng)為形變熱處理；在負(fù)壓氣氛或真空中進(jìn)行的熱處理稱(chēng)為真空熱處理，它不僅能使工件不氧化，不脫碳，保持處理后工件表面光潔，提高工件的性能，還可以通入滲劑進(jìn)行化學(xué)熱處理。

表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過(guò)多的熱量傳入工件內(nèi)部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時(shí)或瞬時(shí)達(dá)到高溫。

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表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應(yīng)加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應(yīng)電流、激光和電子束等。

4.機(jī)械特性

不同的機(jī)床和機(jī)床不同的參數(shù)對(duì)金屬材料的切削加工性能也會(huì)有不同程度的影響。

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: |! C' W) v" h- L+ E) w改善材料可切削性的途經(jīng)

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1.改善材料的化學(xué)成份

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以常用金屬為例，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于材料的金相組織中，切削時(shí)能起很好潤(rùn)滑作用，減少摩擦，使刀具耐用度和表面質(zhì)量得以提高。在碳鋼中加入MnS，它分布于珠光體中，起潤(rùn)滑作用，使刀具耐用度和切切削后的表面質(zhì)量提高，增大脆性，切屑易斷。

2.材料加工前進(jìn)行合適的熱處理

低碳鋼通過(guò)正火處理后，細(xì)化晶粒，硬度提高，塑性降低，有利于減小刀具的粘結(jié)磨損，減小積屑，改善工件表面粗糙度；高碳鋼球化退火后，硬度下降，可減小刀具磨損；不銹鋼以調(diào)質(zhì)到HRC28為宜，硬度過(guò)低，塑性大，工件表面粗糙度差，硬度高則刀具易磨損；

白口鑄鐵可在950～1000℃范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間退火而成可鍛鑄鐵，切削就較容易。

3.選加工性好的材料狀態(tài)

低碳鋼經(jīng)冷拉后，塑性得以下降，加工性好；

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鍛造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改為熱軋后加工性得以改善。

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4.其它

    采用合適的刀具材料，選擇合理的刀具幾何參數(shù)，合理地制訂切削用量與選用切削液等也能影響材料的切削加工性能。

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