常见材料加工特点及刀具.ppt

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1、常见被加工材料 加工特点及刀具选择 关于铁碳相图热处理常识n淬火：将钢件加热到奥氏体化温度并保持一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却，以获得非扩散型转变组织，如马氏体、贝氏体和奥氏体等的热处理工艺 n回火：将淬火后的钢，在AC1以下加热、保温后冷却下来的热处理工艺。其目的是：n(a)消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；n(b)调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；n(c)稳定组织与尺寸，保证精度；n(d)改善和提高加工性能。因此，回火是工件获得所需性能的最后一道重要工序。按回火温度范围，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火 n正火：将钢件加热到上临界点(AC3或Acm

2、)以上4060或更高的温度，保温达到完全奥氏体化后，在空气中冷却的简便、经济的热处理工艺，其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化 n退火：将金属构件加热到高于或低于临界点，保持一定时间，随后缓慢冷却，从而获得接近平衡状态的组织与性能的金属热处理工艺。n调质：淬火后又高温回火的双重热处理 材料加工性能分类nK类：铸铁类材料，具有短切屑nP类：钢、合金钢、可锻铸铁等长切屑材料nM类：不锈钢、高锰钢、高合金钢nN类：有色金属，包括铝合金、铜及其合金、锌等nH类：淬硬材料，高硬度材料nS类：耐热合金及钛合金、超合金 铸铁（K类）铸铁分类n铸铁有五种主要类型：n灰口铸铁(GCI)，n可锻铸铁(MCI)

3、，n球墨铸铁(NCI)，n蠕墨铸铁(CGI)，n等温淬火球墨铸铁(ADI)。n铸铁为Fe-C合金，具有较高的Si含量(1-3%)。n碳含量超过2%这是碳在奥氏体相中的最大溶解度。nCr(铬)、Mo(钼)和V(钒)等形成的硬化物，可增加材料的强度和硬度，但会降低切削加工性切削加工性概述n短切屑材料，在大多数工况下具有良好的切屑控制。特定切削力：790 1350 N/mm。n在较高速度下加工时，特别是加工含夹砂的铸铁时，会产生磨料磨损。n和通常的GCI相比，在NCI、CGI和ADI中存在不同形态和机械性能的石墨，加工时需要特别注意。n铸铁常用负前角型刀片加工，因为这些刀片具有高强度的切削刃，而且应

4、用安全。n硬质合金基体应较硬，涂层应为厚的氧化铝型，以获得良好的耐磨料磨损性。n传统的铸铁加工方法为干式切削，但也可以进行湿式切削，主要是为了使铁碳灰尘污染物保持最低水平。可锻铸铁和灰口铸铁n可锻铸铁由近似白口铸铁组织的材料分两步热处理后制成，产生铁素体+珠光体+回火碳结构，并形成不规则的石墨颗粒。与之相比，灰口铸铁为薄片状结构，更容易破裂。这意味着可锻铸铁对裂纹的敏感度较低，断裂强度和延伸率较高。n灰口铸铁具有典型的片状石墨形态，主要特点为：低冲击强度(脆断模式)；良好的导热性，在机床运行时较少发热，在切削过程中保持低热；良好的减振性，吸收机床的振动。常见零件n用MCI材料制造的零件包括：桥

5、壳、履带轮、管接头和高强度齿轮。n用GCI材料制造的零件包括：煎锅、发动机缸体、压缩机的汽缸、齿轮和变速箱体。切削加工性n可锻铸铁的抗拉强度比GCI高，切削加工性类似球墨铸铁，二者通常具有出色的加工特性。一般而言，铸铁中的珠光体组织增加磨料磨损，铁素体组织增加粘附磨损。n灰口铸铁冲击强度低，产生的切削力低，切削加工性良好。在切削过程中仅产生磨料磨损。没有化学磨损。灰口铸铁常加有铬合金，以提高机械性能。但在强度增加的同时，也导致切削加工性降低。球墨铸铁(NCI)n球墨铸铁具有球状石墨结构，主要特点为：良好的刚度(杨氏模量)；良好的冲击强度=韧性材料，不脆；良好的抗拉强度；减振性能不良，不吸收机床

6、的振动；导热性差，在切削过程中会产生较高热量。与灰口铸铁相比，球墨铸铁内的石墨呈球状，这使其具有较高的抗拉强度和韧性。常见零件n轮毂、管件、滚轮、排气歧管、曲轴、差速器壳体、轴承盖、底座、涡轮增压器壳体、离合器片和飞轮。n涡轮增压器壳体和排气歧管常用制造材料为SiMo合金铸铁，其耐热性更高。切削加工性n球墨铸铁形成积屑瘤的趋势很高。铁素体含量高的球墨铸铁更软，形成积屑瘤的趋势也越高。在间断切削加工铁素体含量高的零件时，粘附磨损通常是最主要的磨损机理。这会导致涂层的剥落问题。n对于珠光体含量较高的硬球墨铸铁，这种粘附问题就不太明显。此时更易发生磨料磨损和/或塑性变形。蠕墨铸铁(CGI)nCGI材

7、料可以满足不断增加的提高强度和降低重量要求，但仍保持合理的切削加工性。CGI的导热性和减振性介于NCI和ADI之间。抗金属疲劳能力是灰铸铁的两倍。与灰口铸铁一样，CGI中的石墨颗粒被拉长并随机定向，但CGI的石墨颗粒更短而厚并有圆边。CGI中的蠕虫状石墨及其圆边和起伏不平表面，在石墨和铁基之间提供了很强的附着力。这就是为什么CGI的机械性能大大高于灰口铸铁的原因。珠光体含量低于90%的CGI最常用。常见零件nGCI非常适合用于制造发动机零件，为输出更高的动力，要求材料更轻、强度更高。与使用GCI材料相比，仅发动机缸体重量就可以降低大约20%。其它应用还有缸盖和制动盘。切削加工性n根据切削加工性

8、，蠕墨铸铁位于灰口铸铁和球墨铸铁之间。CGI的抗拉强度是灰口铸铁的两到三倍，并且热导率较低，所以加工CGI会产生较高的切削力，并在切削区域产生较多的热量。CGI材料中的钛含量增加对刀具寿命有负面影响。n最常见的CGI加工为面铣和镗孔缸削。用螺旋插补铣的方式代替传统的缸孔镗削，既可以提高刀具寿命，又可以提高生产效率。铸铁加工刀片经典槽型分析-精铸铁半精加工经典槽型铸铁加工粗加工经典槽型钢（P类）合金渗碳钢n用于制造渗碳零件的合金钢，称为合金渗碳钢，它属于低碳合金钢。渗碳零件要求具有高的表面硬度及耐磨性，而心部具有较高的强度和适当的韧性，通常采用低碳合金钢经渗碳淬火和低温回火来实现这种双重性能。例

9、如汽车、拖拉机上的变速齿轮；内燃机上的凸轮等。常用材料牌号如15Cr、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo等。工件加工工艺路线n一般渗碳零件的工艺路线为：锻造正火机加工渗碳淬火、回火精加工（磨削）。也就是说，渗碳钢的切削加工是在渗碳以前进行，所以这里主要分析渗碳钢渗碳前的切削加工性合金渗碳钢切削特点n由于低碳钢加入了一定量的合金元素，使钢的强度提高，塑性和韧性有所下降。大部分渗碳钢的硬度在 179-217HB之间，延伸率在10%左右。因此，大部分渗碳钢的切削加工性高于同样含碳量的碳素结构钢。如锰渗碳钢，由于加入锰以后，铁素体被强化，韧性降低，因此切削加工性提高（如15好钢的相对加工性为

10、85%，而15Mn2 的相对加工性为95%）；同理，铬渗碳钢15Cr、20Cr 的相对加工性达105%以上；应用广泛的20CrMnTi 在退火或正火状态下也有比较好的切削加工性，可以直接对锻件进行加工。但铬镍合金钢的切削加工性较差，如18Cr2Ni4WA 和20CrNi4，不但强度和硬度高，而且韧性也很高。这样在切削加工时，切屑变形大，切削温度高，刀具易磨损。且铬镍钢的切削加工性随含碳量、含镍量以及所含合金种类的增加而变差。切削特点n合金渗碳钢较突出的切削加工性特点是塑性高。切削加工时，粘刀现象严重，切屑变形大，低速切削时容易产生积屑瘤和鳞刺，使已加工表面粗糙。所以说，合金渗碳钢的精加工性不如

11、粗加工性，当零件要求表面质量较高时，应予以足够的重视。合金渗碳钢的合理切削条件n刀具几何参数特点对于合金元素含量较低，加工性比较好的合金渗碳钢，如15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2、20CrMnTi、20CrMnMo等，用加工一般碳钢的刀具就可切削。宜取较大的前角（一般取15-20），这样可以减小切屑变形，减小切削力和切削热，抑制积屑瘤和鳞刺的产生，改善已加工表面质量。同时前面上磨出圆弧形断屑槽，达到卷屑和断屑的目的；为了提高刀尖强度，可以在主切削刃上磨出负倒棱。n对于硬度、强度和韧性都比较高的渗碳钢，如 18Cr2Ni4WA 和20CrNi4等，可以适当减小刀具的前角，并取较小数值的

12、负刃倾角，增加刀尖强度，提高刀具寿命。n切削用量在切削合金渗碳钢时，由于含碳量低，塑性较大，要特别注意的就是在精加工时，切削速度的选择不但要考虑刀具寿命，更重要的是应避开产生积屑瘤和鳞刺的速度范围。如果用高速钢刀具切削，就要选择很低的切削速度并加切削液。例如铰精密孔时，一般可取vc=0.033-0.083m/s:；车削精密丝杠时，采用前角为0的车刀，选取小于0.083m/s:的切削速度。如果选用硬质合金刀具进行切削，最好采用高速，这样可有效地防止积屑瘤和鳞刺的产生。另外，减小切削厚度也能抑制积屑瘤和鳞刺的产生，提高已加工表面质量。低合金钢典型零件nMo和Cr合金压力容器钢用于较高的温度。常规应

13、用包括：轮轴、轴类、结构钢、管件和锻件。n在汽车行业的典型部件有：连杆、凸轮轴、球笼式等速万向节、轮毂、转向部件等。合金调质钢的切削加工性能n低淬透性（低强度）合金调质钢n这类钢的强度不高b=0.79-0.98GPa、s=0.60-0.79GPa。ak约在0.59MJ/m2左右，由于这类钢经调质后硬度、强度较低，可采用“锻造调质机加工”或“锻造退火粗加工调质精加工”的工艺路线。这类合金调质钢具有较好的切削加工性。和同样合碳量的碳素结构钢比较，由于强度、硬度较高，切削加工性略差于碳钢。一般加工碳钢的车刀，也可用于加工这类钢。在精加工时，和合金渗碳钢一样，也要注意避免积屑瘤和鳞刺的产生。n中淬透性

14、合金调质钢n这类钢有较高的强度和韧性，b=0.98-1.08GPa、s=0.84-0.93GPa。ak约在0.49MJ/m2左右。由于其强度较高，所以此类钢的切削加工性比低淬透性合金调质钢略差。n粗加工中淬透性合金调质钢时，刀具材料宜取YW1、YW2，精加工或半精加工可选用YD05、YN05 硬质合金，也可选用涂层刀片。和低淬透性合金调质钢比较，由于钢的强度高，为了提高刀尖强度和增大刀头散热体积，应取较小的前角，较小数值的正或负刃倾角和较小的主偏角。为了减小后面的摩擦，后角可适当加大，如用YN05精车30CrMnSiA时，一般取前角0、刃倾角0、后角12。合金钢n高淬透性合金调质钢n这类钢的b

15、=0.98-1.17GPa、s=0.79-0.98GPa。ak约在0.78-0.98MJ/m2之间。具有高的强度和硬度，特别是高的韧性。其中铬-镍钢在高淬透性合金调质钢中占了相当的比例，这些钢由于含镍量的增加，切削加工性明显变差。n为了改善不同的铬镍调质钢的切削加工性，必须在工艺上采用适当的热处理。如37CrNi3 钢锻件，由于硬度、强度高，难于切削，应在精加工前采用恒温退火方法，使混有大量铁素体的不均匀珠光体组织变为粗大均匀层状珠光体和较细的铁素体组织，使加工性得到改善，然后经调质处理后再进行精加工较为合理。对于)&*+%/)铬镍调质钢，锻造后硬度很高，达341-388HB，很难切削加工，必

16、须进行高温回火或退火处理。一般采用640-660高温软化回火。为防止回火脆性，高温回火后必须很快冷却。由于高温回火后得到球粒状珠光体组织，使硬度、强度、韧性近于适中，改善了切削加工性。40CrNiMn 钢的预先热处理通常采用完全退火，860C 加热后缓冷，退火后的硬度小于等于229HB，切削加工性得到改善。n40CrMnMo 性能与40CrNiMn 相当，切削加工性也基本相近。这类高强度钢的半精加工、精加工通常在调质状态下进行。调质后它们的金相组织一般为索氏体，硬度达35-50HRC。调质后的塑性和韧性虽有所降低，但有些钢件，如38CrNiMoVA 调质后的塑性和韧性仍然不低于中碳正火钢，所以在切削加工时，切屑变形大，切削力和切削温度也相应增大，刀具磨损快，寿命低。为此，必须选用耐磨性好的刀具材料。如粗车时选用TiC 含量低的YW类和YT 类硬质合金；精车时选用TiC 含量高的YW类和YT 类硬质合金；也可选用YN 类硬质合金；高速精车时，也可采用涂层刀具和复合氧化铝陶瓷刀具。为了防止崩刃，增强刀尖，前角宜取较小值，刀尖圆弧半径大于0.8mm。另外，取较小的主偏角。切削速度也应比加工中