工件材料切削性能分析

楊震

摘 要：隨著工廠的發展，產品型號的增加，新材料的應用，對工廠切削加工技術的要求也越來越高。高質量、高效率、低成本工藝方案的制定變的越來越復雜和困難。在這一背景下，對工件材料進行切削性能的分析變的尤為重要。了解不同材料的切削性能、特點，能幫助我們合理的制定加工方案，完成零件的加工。由于材料加工涉及到刀具材料、工件材料、切削原理、刀具幾何參數、切削熱、冷卻液的選擇等多方面的原因，涉及面廣、影響因素多，本文僅對工件材料本身進行分析其他方面不做具體的深入分析。

關鍵詞：材料切削；性能；分析

1.我廠產品所使用的主要材料仍以金屬為主。不論是黑色金屬還是有色金屬，每種不同的金屬在切削性能上都有著或多或少的差異。這些差異是怎么造成的呢？就材料的角度而言，可分為三個方面：

1.1 材料的化學成分隊切削加工性能的影響

通常人們在冶煉鋼鐵或是其它有色金屬時都會參入一些其它的金屬或非金屬元素，來提高材料的力學性能，改善金屬的物理性能。而這些元素的參入同時也影響到了材料切削加工性能。

（1）碳（C）

在鋼或鐵中，碳（C）是最常見的添加元素。隨著碳元素的增加，鋼的強度、硬度提高，而塑性和韌性降低。而單方面的強度、硬度過高或是塑性、韌性過高都會給切削加工造成困難。

（2）鉻（Cr）

鉻也是較為常見的添加元素。它能提高材料的硬度、強度和耐磨性。當鋼中鉻的含量低于26%時，鋼的韌性將隨著鉻含量的增加而升高。且在切削時容易得到較好的表面粗糙度。

（3）錳（Mn）

錳固溶于鐵素體和奧氏體中，擴大奧氏體區，強化鐵素體或奧氏體，提高鋼的淬透性，使鋼中的組織均勻、細化。高材料的強度和硬度，但韌性會降低。

（4）鎳（Ni）

鎳和鐵可以無限固溶，是形成穩定奧氏體的主要合金元素，可提高材料的韌性。強化鐵素體并細化和增多珠光體，提高鋼的強度。含鎳鋼的碳含量相對較低，因而有較好的韌性和塑性。

（5）銅（Cu）在鋁合金中的作用

利用析出CuAl2相在可熱處理的變形和鑄造鋁合金中進行時效沉淀硬化。同時還加入其它元素以改善性能，提高室溫及高溫強度。

（6）鎂（Mg）在鋁合金中的作用

與Si、Cu、Zn一起使用，可產生時效沉淀硬化。與Mn一起可提供很好的冷作硬化效果。含量至3.5%可提高鋁的強度。

（7）硅（Si）

改善液態合金的流動性和鑄造性能。通過析出Mg2Si可實現沉淀硬化。在合金中會引起脆化。

1.2 材料的力學性能對切削加工性能的影響

材料的力學性能指標很多，主要影響切削加工性能的指標有硬度、強度、塑性、韌性、彈性模量。

1.2.1 硬度

金屬的硬度不是一個有明確物理意義的性能指標，而是包含了許多基體力學行為過程在內的一個綜合性的概念。廣義上是指材料抵抗塑性變形、劃痕、磨損和切割的抗力。

硬度的測量方法很多，每種測量的方法其測量單位也不同。常用的有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC、HRA）、維氏硬度（HV）等，這里不再一一贅述。一般說來，材料硬度越高，在切削過程中對刀具的磨損越快，刀具的切削速度也較低。在切削加工時，切削溫度很高，此時材料的高溫硬度對切削性能應到明顯的影響作用。

1.2.2 強度

此處敘述的強度為抗拉強度（σb）。表示材料極限承載能力，當超過這一極限載荷時，材料某一部位變形量會突然增大而后斷裂或是直接斷裂。該參數對材料切削加工性能有明顯的影響。

另外，硬度和強度之間還有存在簡單的經驗關系。關系式如2-2

σb=KHB （2-2）

不同的材料K值有所不同，鋼鐵為0.33～0.36，銅合金和不銹鋼為0.4～0.55。

2.2.3 塑性

金屬材料的塑性變形能力用塑性表示，它是用材料在拉伸試驗中總條件延伸率（δk）和總條件斷面收縮率（ψk）表示。

延伸率和斷面收縮率（即塑性）是一個非常重要的材料性能指標。材料良好的塑性是壓力加工的基礎，在冷彎、沖壓、冷拔、冷軋過程中，金屬有較大的流動而不至斷裂。塑性好的材料還有較高的加工硬化能力。一般來說，純金屬的塑性比合金高，鋼的塑性受含碳量的影響較大，隨著含碳量的增加，鋼的塑性降低。

在切削加工中，材料塑性的高低會直接影響工件塑性變形程度。隨之影響切削力的大小、切削溫度的高低、積屑瘤產生的難以程度、切屑的形狀，從而決定材料的切削加工性能。在硬度和強度相近的情況下，塑性高的材料在切削過程中會產生較大的切削力，較高的切削溫度，加劇刀具的磨損。容易 產生積屑瘤、切屑不易斷等現象。

1.2.4 韌性

此處描述的是沖擊韌性（αk）。在材料沖擊試驗，用一定質量的物體以一定的速度沖擊一定形狀的試樣件，測量沖斷試樣件所需要的能量，該能量值表示被測材料的沖擊韌性，單位為J/cm2。

在材料沖擊試驗中，沖斷試樣所消耗的功Ak包括彈性擴展功、塑性變形功、裂紋形成功和裂紋擴展功，且無法彼此區分。所以沖擊韌性（αk）并不具備明確的物理意義。只能對材料的性能提供定性的、或是趨勢性的評估。在長期的生產實踐中，人們積累了各種材料的沖擊韌性數據，并應用到生產中。

1.3 材料的物理性能對切削加工性能的影響

材料物理性能包括很多方面，如電阻溫度系數、導磁率、導熱系數、線膨脹系數等等。本文討論的是材料切削加工性能，只對材料的導熱系數和線膨脹系數作一些分析

1.3.1 導熱系數

該物理量表證物體導熱能力的大小。導熱系數高的材料有優良的導熱性能。

在切削加工過程當中，會產生大量的熱量。這些熱量大部分由切屑帶走，剩余熱量傳導給刀具、工件及散發至周圍環境中。如果材料的導熱系數高，切屑帶走的熱量就相對較多，切屑溫度降低有利于延長刀具使用壽命，減小工件的熱變形。

1.3.2 線膨脹系數

一般是指在外界溫度、壓力（主要指溫度）變化時，物體的線性尺寸隨溫度、壓力（主要指溫度）的變化率。該物理性能對工件的尺寸精度和切削過程有一定影響。

我廠作為一個慣性元器件的生產廠家，產品零件尺寸精度較高。這一參數的大小在加工中對零件尺寸精度的影響也較大。所以在精加工時要注意溫度的控制，如保持加工環境溫度恒定，加工過程中要使用冷卻液，測量環境溫度與加工環境溫度保持一致。

2 結論

以上僅從材料方面分析了材料本身的切削加工性能。而在實際生產中，材料的切削性能還要相對刀具材料，刀具角度，工藝方法等等相關。上文中的參數對確定切削加工中其他的參數起到一個參考作用。而在對這些參數進行分析比較的同時，也要結合具體的加工方法，如在硬度一節中描述，硬度越高對刀具的磨損越嚴重，加工性能越差。但對于磨削加工來說，硬度高卻并不影響其加工性能，反而是硬度過低，在加工過程中容易堵塞砂輪。因此，在制定加工工藝時，應從材料本身特性出發，結合工藝方法、零件要求及加工環境，具體問題具體分析，制定出一個合理、高效、低成本的工藝方案。

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