難切削材料的切削加工性研究

【摘要】新材料的出現，使得傳統的切削加工變得困難，切削加工性降低。本文主要介紹了三種難切削材料的切削加工性的一些特點，并以此提出了提高難切削材料切削加工性的途徑。

【關鍵詞】切削加工性；鈦合金；鎳基高溫合金；高強度鋼

一、鈦合金的切削加工性

鈦合金是一種比強度和比剛度較高，在溫度550℃以下耐腐蝕很高的材料。它是應用很廣泛的飛行器結構材料，也應用于造船、化工等行業。鈦合金從金屬組織上可分為α相鈦合金、β相鈦合金、（α+β）相鈦合金。硬度及強度按α相、（α+β）相、β相的次序增加，而切削加工性按這個次序下降。鈦合金的切削加工性是較低對的，其原因如下：（1）鈦合金導熱性能低，切屑與前刀面的接觸面積很小，致使切削溫度很高，可為45鋼切削溫度的2倍。（2）鈦合金在600℃以上的溫度時，與氣體發生劇烈的化學作用。（3）鈦合金塑性較低，特別是和周圍的氣體發生化學變化后，硬度增高，剪切角增大，切屑與前角面的接觸長度很小，使前刀面上應力很大，刀刃容易發生破損。（4）鈦合金的彈性模量低，彈性變形大，接近后刀面處工件表面的回彈量大，故已加工表面與后刀面的接觸面積特別大，磨損也比較嚴重。根據鈦合金的性質和切削過程中的特點，切削時應該考慮的措施是：（1）盡可能使用硬質合金刀具，以提高生產率，應該選用與鈦合金親和力小，導熱性能良好的強度高的細晶粒鎢鈷類硬質合金。成型和復雜刀具可選用高溫性能好的高速高。（2）為增大切屑與前刀面的接觸長度，以提高耐用度，應采用較小的前角。后角應比切普通鋼的大。刀尖采用圓弧過渡刃，刀刃上避免有尖角出現。（3）刀刃的粗糙度應盡可能小，以保證排屑流暢和避免崩刃。（4）切削速度宜低，切削深度可以較大，進給量應適當。進給量過大易引起刀刃的燒損；進給量過小將因刀刃在加工硬化層中工作而磨損過快。（5）應進行充分冷卻，慎用含氯的極壓切削液。在使用含氯的切削液時，使用后應將工件充分清洗，以防止應力腐蝕。

二、鎳基高溫合金的切削加工性

鎳基高溫合金導熱性低，加工硬化嚴重，切削時與刀具粘結現象嚴重，故切削非常困難。影響其切削加工性的因素有r′相（金屬間化合物，是高溫合金的主要強化相）數量的多少，材料的真實強度Sb（尤其是高溫時的真實強度），材料的延伸率δ和收縮率ψ。r′相數量越多，Sb愈大，Sb和ψ愈大，則切削加工愈困難。鎳基高溫合金在切削時，硬化程度可達200%～500%，因此剪切面上剪切應力高，切削力大，可達45剛的2～3倍。切削溫度也很高，可高達750℃～1000℃。因此在切削鎳基高溫合金時，應十分注意降低切削溫度和減少加工硬化：（1）刀具的刀刃應該始終保持鋒利，前角應為正值，但不能過大，后角一般稍大一些。（2）合理選擇切削用量，一般是低切削速度，中等偏小的進給量，較大的切削深度。應該使刀刃在冷硬層以下進行切削。（3）選擇合適的切削液，對于鎳基高溫合金應避免使用含硫的切削液，否則會對工件造成應力腐蝕，影響零件疲勞強度。

三、高強度鋼的切削加工性

高強度鋼的室溫強度較高，抗拉強度在1.177GPa以上。高的室溫硬度和強度時影響切削加工性的主要因素。高強度鋼的高硬度組織在切削時，使刀刃的應力增大，切削溫度升高，刀具磨損加劇，故高強度鋼在退火狀態下比較容易切割。Cr、Ni、Mo、V和Mn等元素能使淬硬深度增加，故它們對切削加工性有一定影響。（1）為避免引起振動，要求工藝系統有足夠的剛性，刀具的懸伸量應盡量小。（2）為了防止崩刃，增強刀刃，前角應選小值或負值，刀刃的粗糙度應很小，刀刃的刃形上不應有尖角，尖角必須用圓弧替代。（3）要充分冷卻，使用硬質合金刀具時不宜使用水溶性切削液，以免刀刃承受較大的熱沖擊，引起崩刃。

綜上所述，對于難切削材料，我們可以通過以下措施來提高其切削加工性：選擇合適的刀具材料，這是最重要的方面；對工件材料進行相應的熱處理，盡可能在最適宜的組織狀態下進行切削；提高機床—夾具—刀具—工件這一工藝系統的剛性，提高機床的功率；刀具表面應該仔細研磨，達到盡可能小的粗糙度，以減少粘結和因沖擊造成的微崩刃；合理選擇刀具幾何參數，合理選擇切削用量；對斷屑、卷屑、排屑和容屑給予足夠的重視；注意使用切削液，以提高刀具耐用度。

現代機械傳統制造業仍然沿用以材料力學為基礎的單刃或多刃刀具的切削加工，這種方法雖然仍然是不可替代的，但存在著工件被加工成形時能量利用率低。因此，必須應用更多的物理的化學的和材料科學的現代知識，來開發新的制造技術，以適應新材料發展的挑戰。

參 考 文 獻

[1]陸劍中，孫家寧．金屬切削原理與刀具[M]．北京：機械工業出版社，2011

[2]陳體康．加工鈦合金內螺紋的絲錐優化設計[J]．工具技術．2007（8）