难加工金属材料的切削加工性：新型工程材料不断涌现

难加工金属材料的切削加工性

随着科学技术的发展，对机械电子、航空航天、兵器产品和化工设备及其零件的性能有各种各样新的要求。有的需要在高温高应力下工作，有的需要耐腐蚀耐磨，有的需要绝缘，有的需要有高的导电性，因此，现代新型工程材料不断涌现。不仅使用一般的碳素结构钢，而且使用高强度、超高强度合金结构钢、高锰钢和不锈钢；不仅使用一般的灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁，而且使用合金耐磨铸铁和冷硬铸铁；不仅使用黑色金属，而且使用钛合金、铜合金、铝合金等有色金属；不仅使用一般的铁碳合金，而且使用高温合金等多元合金；不仅采用以珠光体、铁素体为基体的普通钢，而且也采用以屈氏体、屈氏体为基体的中硬调质钢和马氏体淬硬钢，此外还大量采用非金属材料和粉末冶金材料。上述新型工程材料中，很多都是难以切削加工的，即所谓的“难加工材料”。

加工困难的原因一般有以下几种：

①硬度较高；

②强度高；

③高塑性和高韧性；

④塑性较低、脆性较大；

⑤热导率低；

⑥ 含有大量微观硬质颗粒或硬质夹杂物；

⑦化学性质活泼。

这些特点，一般会使切削过程中的切削力增大，切削温度升高，刀具磨损加剧，刀具寿命缩短；有时还会使加工表面质量恶化，切屑控制困难；最终降低加工效率和质量，增加加工成本。

1. 高强度钢及超高强度钢的切削加工性

高强度钢和超高强度钢的半精加工、精加工和部分粗加工均在正常的淬火、回火条件下进行。淬火、回火（淬火加中温回火）后的金相组织为屈氏体或屈氏体，硬度为HRC35-55。通常将σs＞1GPa或σb＞1.1GPa的结构钢称为高强度钢；将σs＞1.2GPa或σb＞1.5GPa的结构钢称为超高强度钢。虽然其伸长率和冲击值有所降低，但有些钢种（如38CrNiMoVA）经淬火、回火后，其塑性和韧性仍不低于中碳正火钢。低合金高强钢和超高强钢含碳量在0.30%~0.50%之间，合金元素总量不超过6%，是生产中使用最多的。还有合金元素较多的中合金、高合金高强钢和超高强钢，加工难度较大。机械前沿微信公众号：jixieqianyan

高强度钢和超高强度钢与普通碳素结构钢相比，强度较高（均比45钢高1倍以上），热导率较低，因而切削力较大（是4.5钢的1.2～1.3倍），切削温度较高（比45钢高100～200℃），刀具磨损快，刀具寿命短[93]，断屑稍困难。

根据以上特点，必须采用耐磨刀具材料。根据粗加工、半精加工和精加工的要求，应分别采用不同牌号的YT型硬质合金，最好是添加钽、铌的牌号。高速精加工时，应采用TiC含量较高并添加钽、铌的YT型合金、TiC基和Ti(C、N)基硬质合金、涂层硬质合金以及复合A1203陶瓷等。刀具前角应较小，例如车削38CrNi3MoVA时，取γ。=4-6o；车削35CrMnSiA时，取γ。=0--4o。在工艺系统刚性允许的情况下，应采用较小的主偏角kr和较大的刀尖圆弧半径rε。与加工中碳正火钢相比，应适当降低切削用量，特别是降低切削速度。应尽可能采用切削液和断屑措施，改善切削条件。

2.高锰钢的切削加工性

高锰钢的典型牌号有Mnl3、40Mnl8Cr3、50Mnl8Cr4等。经水韧处理后，金相组织为均匀的奥氏体。它的原始硬度虽然不是很高，但塑性和韧性特别高（分别是45钢的4倍和8倍），加工硬化特别严重，加工硬化后可高达HB500。在切削过程中，工件表面还会形成一层高硬度的氧化层（Mn203）。它的热导率很小，约为45钢的1/4。因此，切削温度很高，加工45钢时，切削力约大60%。高锰钢比高强度钢更难加工。

加工高锰钢时，应选择硬度高、有一定韧性、热导率大、高温性能好的刀具材料。粗加工时可选用YG、YH或YW硬质合金；精加工时可选用YTl4、YG6X等合金。实践表明，用复合氧化铝陶瓷高速精车高锰钢是十分有效的。从提高切削刃强度和散热条件的角度考虑，前角应选择较小的值。但为防止切屑变形过大，前角也不宜过小。一般取γ。=-5～5o、α。=8～12o、λs=0--5o。切削速度应较低，一般取Vc=20～49m/min；只有用复合氧化铝陶瓷进行精车时，才可以采用高于100m/min的切削速度。进给量和切削深度不宜太小，以防止切削刃或刀尖穿过前道工序形成的硬化层，加速刀具的磨损。

3. 冷硬铸铁和淬火钢的加工性

冷硬铸铁的极高硬度是其加工困难的主要原因。它的塑性很低，刀屑接触长度很小，切削力和切削热都集中在切削刃附近，因此切削刃很容易损坏。冷硬铸铁零件的结构尺寸和加工余量一般较大，毛坯精度较低，这进一步增加了加工难度。

加工冷硬铸铁时，应选用硬度和强度较好的刀具材料，一般采用细晶粒或超细晶粒的YG、YH硬质合金。实践表明，采用复合氧化铝或氮化硅陶瓷对冷硬铸铁进行精加工和半精加工，效果很好，刀具寿命和生产率比硬质合金有明显提高。为提高切削刃和刀尖强度，取γ。=0--4o，α。=4-6o，λs=0--5o，适当减小主偏角kr，适当增大刀尖圆弧半径rε。

淬火钢组织为回火马氏体，硬度达HRC60以上，塑性和热导率较低，其切削加工性及刀具材料、刀具几何参数的选择与冷硬铸铁基本相同，精加工时可用CBN刀具加工。

4.纯金属加工

常用的纯金属如铜、纯铝、纯铁等，硬度和强度较低，导热性较高，有利于切削加工。但它们塑性大，切屑变形大，刀屑接触长度大，易产生冷焊，产生积屑瘤。因此，切削力大，不易获得良好的加工表面质量，断屑困难。另外，它们的线膨胀系数大，在精加工时不易控制工件的加工精度。机械前沿微信ID：jixieqianyan

加工纯金属时，可选用高速钢刀具或硬质合金刀具。加工铜、纯铝时可选用YG或YW硬质合金，加工纯铁时可选用YT或YW硬质合金。应采用较大的前角和后角（γ=25-35o、α=1-12o），以磨出锋利的切削刃，减少切屑变形。应尽可能采用较高的切削速度、较大的切削深度和较大的进给量，以提高生产率。

5.不锈钢及高温合金的加工性

不锈钢按金相组织分为铁素体、马氏体、奥氏体三类。铁素体和马氏体不锈钢主要由铬组成，常在调质或退火状态下使用，综合力学性能中等，一般切削加工难度不大。奥氏体不锈钢主要由铬、镍等元素组成，淬火后为奥氏体组织，切削加工性能较差，主要表现在：

（1）塑性大，加工硬化严重，易产生积屑瘤，恶化加工表面质量。切削力比45钢（正火）高25%左右。加工表面硬化程度大，硬化层深度大，往往给下道工序带来困难。且切屑不易断掉。

（2）热导率小，仅为45钢的1/3。产生的热量不易传递，故切削温度高。

（3）由于切削温度高，加工硬化严重，加之钢中含有碳化物（TiC等），形成坚硬的夹杂物，易与刀具冷焊，故刀具磨损较快，降低使用寿命。

高温合金按其化学成分分为铁基、镍基、钴基三类。高温合金的切削加工性比不锈钢差。高温合金中含有较多高熔点合金元素，如铁、钛、铬、钴、镍、钒、钨、钼等，这些元素与其他合金元素一起形成纯度高、组织致密的奥氏体合金。有些元素与碳、氮、氧等非金属元素化合，形成比重小、熔点高的高硬度化合物，也能形成一些具有一定韧性的高硬度金属间化合物。同时，有些合金元素进入固溶体，起到强化基体的作用。高温合金经长期时效后，能从固溶体中析出硬质相，进一步使晶格发生畸变。这不仅增加了塑性变形的抵抗力，而且由于硬质颗粒的存在还会加剧刀具的磨损[78]。

高温合金的高硬度化合物有：

碳化物——例如TiC、VC、NbC、WC、W2C等；

氮化物——例如TiN、VN、NbN等；

氧化物——例如Al2O3、SiO2等；

金属间化合物——例如 FeCr、CoCr、FeCrMo 等。

高温合金的加工具有以下特点：

（1）强度高，抵抗塑性变形的能力强，因而切削力很大，约为中碳钢的两倍。

（2）硬度较高，特别是高温硬度高于其他金属材料，并且在加工过程中由于塑性变形而进一步硬化。

（3）热导率小，仅为45钢的1/3-1/4，故切削温度很高，加剧刀具磨损。

（4）合金中的高硬度化合物构成硬点，进一步加剧刀具的磨损。