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技术交流
各种难加工材料的切削加工特点

(1)高强度和超高强度钢
       调质(淬火,中温回火)后σs>1000MPa或σb>1100 MPa的结构钢,称为高强度钢。调质后σs>1200MPa或σb>1500MPa的结构钢,称为超高强度钢。在这类钢材中,凡含碳量在0.30%~0.50%之间,合金元素总量不超过6%的,为低合金高强度、超高强度钢,在生产中用得非常多。还有合金元素含量较多的中合金、高合金高强度与超高强度钢,它们的加工难度更大。
       高强度、超高强度钢的金相组织一般为索氏体和托氏体。与普通碳素结构钢相比,它们的硬度、强度较高(约比45钢高出1倍或1倍以上),冲击值较大,导热系数偏低,故切削力较大,切削温度较高。加工高强度、超高强度钢时,可选用与加工普通碳素钢相同的刀具材料。根据粗加工、半精加工、精加工的要求,分别采用不同牌号的YT类硬质合金,最好是添加钽铌的牌号。高速精加工时,应采用高TiC含量的YT类合金,也可采用YN类合金(金属陶瓷)、涂层合金与Al2O3陶瓷。在工艺系统钢性允许的情况下,前角和主偏角应较小,刀尖圆弧半径应较大。必须采用低于加工中碳正火钢的切削用量,尤其是切削速度。

(2)高锰钢
       高锰钢的典型牌号有Mn13,40Mn18Cr3,50Mn18Cr4等。经过水韧处理,金相组织为均匀的奥氏体。它的原始硬度虽不甚高,但其塑性和韧性特别高,加工硬化特别严重。硬化后可达HBW500。它的导热系数很小,只为45钢的1/4。切削力比加工中碳钢时增大60%,切削温度很高。应选用硬度高、有一定韧性、导热系数较大、高温性能好的刀具材料。一般,粗加工时应选用YG类和YW类硬质合金;精加工时可用YW或YT14合金,用Al2O3陶瓷刀具进行高速精加工效果很好。宜采用较小的前角和主偏角,较大的后角,切削速度应较低,进给量应较大。

(3)淬硬钢和冷硬铸铁
       淬硬钢的组织为回火马氏体,硬度可达HRC60以上。塑性和导热系数均极低。冷硬铸铁的特点是铸铁表面经激冷而发生“白口”(组织为渗碳体加珠光体),硬度亦达HRC52~HRC60,其它性能与淬硬钢相近。宜采用YG类合金(YG类的弹性模量大于YT类合金)。用Al2O3或Si3N4基陶瓷刀具对淬硬钢和冷硬铸铁进行精加工、半精加工,效果比硬质合金好。刀具前角和主偏角应小,切削速度应低。半精加工和精加工时可用CBN刀具。

(4)不锈钢
       1)切削力大,切削温度高:原始硬度、强度都不太高,但切削时切向应力大、塑性变形大,因而切削力大。此外材料导热性极差(为45钢的1/3),造成切削温度升高,且高温往往集中在刀具刃口附近的狭长区域内,从而加快了刀具的磨损。
       2)加工硬化严重:不锈钢特别是奥氏体不锈钢以及一些高温合金不锈钢均为奥氏体组织,切削时加工硬化倾向大,且易形成一定数量的硬质夹杂物,通常是普通碳素钢的数倍,刀具在加工硬化区域内切削,使刀具寿命缩短。
       3)容易粘刀:无论是奥氏体不锈钢还是马氏体不锈钢均存在加工时切屑强韧、切削温度很高的特点。当强韧的切屑流经前刀面时,将产生粘结、熔焊等粘刀现象,影响加工零件表面粗糙度。

      4)刀具磨损加快:不锈钢材料中一般含高熔点元素、塑性大,切削温度高,使刀具磨损加快,磨刀、换刀频繁,从而影响了生产效率,提高了刀具使用成本。

(5)高温合金
       高温合金的加工难度更大,其原始硬度、强度偏高,导热系数很小(为45钢的1/3~1/4),硬夹杂物多,加工硬化严重,切削力大,切削温度高。高温合金中含有许多高熔点合金元素,如Fe,Ti,Cr,Co,Ni,V,Mo,W等,它们与非金属元素N、C、B等结合成比重小、熔点高的高硬度化合物,还能形成有一定硬度和韧性的金属间化合物,这些都能加剧刀具的磨损。加工不锈钢和高温合金都应采用YG类和YW类硬质合金,而不能用含Ti的YT类合金。采用适当的刀具前角,切削速度应较低,进给量应较大。必要时也可采用高速钢刀具。

(6)热喷涂材料
      利用不同热源,将合金粉末(Ni基、Fe基、Co基等)或陶瓷等材料加热至溶化状态,并在较大压力和喷射速度下喷涂到工件表面上,从而形成一层牢固的、耐高温、耐磨损的保护层。热喷涂材料的成分、性能及加工性都与高温合金相似,硬度尤高,刀具材料及切削用量的选用原则亦与高温合金相近。

(7)钛合金
       钛合金的导热系数极小(只为45钢的1/6),化学性质活泼,易与大气中氧、氮等化合而形成硬脆物质,刀屑接触界面短,切削温度高,弹性模量小。只能采用YG类硬质合金。
       1)切削刃与切割屑接触长度短:钛合金的切削在空气中氧和氮的作用下,会形成硬脆的化合物,使切屑成短碎片状,因而刀-屑接触长度很短,切削力和切削热集中在切削刃附近,刀具容易崩刃。
       2)导热性差:钛合金的导热系数小,仅为45钢的1/6-1/7,而且密度小,切削热量集中在切削刃附近,刃区温度高,刀具磨损剧烈。
       3)化学亲和力大:与含Ti的硬质合金粘结严重。
       4)弹性模量小:约为45钢弹性模量的1/2,故弹性恢复大,摩擦严重。同时,工件也容易发生装夹变形。
       5)钛屑易燃:在高温下(600℃),钛屑容易燃烧。(f)冷硬现象严重:钛的化学活性大,在高的切削温度下,很容易吸收空气中的氧和氮,形成硬而脆的外皮,同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度,而且能加剧刀具磨损。

(8)石材
       石材不仅是建筑材料,而且越来越多地用作机械工程材料。石材都较硬,例如辉绿岩为HS80,大理石为HS50,花岗岩达HS100以上。它们都是抗压强度高,抗弯强度低,材质不如金属材料均匀。出粉状或粒状碎屑。一般用YG类硬质合金加工,切割时常用金刚石镶齿锯片。

(9)工程塑料
       工程塑料的品种非常多,按其性质的不同可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。前者有聚氯乙烯、聚丙烯、有机玻璃等,后者有胶木、玻璃钢等。塑料的比重小,比强度高,耐磨损,抗腐蚀,不导电,具有良好的使用性能。它们的硬度、强度虽然不高,但导热系数极小,只为碳钢的1/175~1/450,加工时容易引起烧伤和热变形。弹性模量小,不易保证加工尺寸。刀具材1料一般选用YG类硬质合金或高速钢。

(10)复合材料和纤维增强材料
       复合材料可以由金属、高聚物和陶瓷三者中任意两个人工合成。复合材料包括纤维增强材料和颗粒增强材料。纤维增强的有碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)和Kevlar纤维(KFRP)等。纤维增强材料的弹性模量和导热系数都很小,已加工表面易发生回弹、撕裂,产生毛刺;纤维对刀具切削力有一定擦伤作用。故表面质量不易保证,刀具耐用度亦受影响。切削力和表面粗糙度常因切削方向不同而变化。刀具材料宜选用YG类硬质合金或高速钢。颗粒增强复合材料的基体(如铝合金)虽较软,但颗粒(如SiC)很硬,对刀具切削力有冲击和刮伤,故刀具受损伤很大。一般,高速钢、硬质合金和陶瓷刀具切削颗粒增强复合材料均不能胜任;建议用CBN或金刚石刀具或ta-C涂层刀具,但应采取增强刀具切削力的措施。

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