機(jī)械材料切削性能研究

徐州建筑學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院專業(yè)專科畢業(yè)論文機(jī)械材料切削加工性能的研究 學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：專 業(yè)：年 級(jí)：教 學(xué) 點(diǎn)：江蘇省交通技師學(xué)院二 0 一二年六月摘要：材料的化學(xué)成分不一樣, 材料的組織結(jié)構(gòu)不同, 熱處理的方法不同, 力學(xué)性能也不同, 其切削加工性也完全不同。而切削加工性又會(huì)影響刀具的耐用度、零件表面質(zhì)量、產(chǎn)品的生產(chǎn)率, 甚至使被加工零件變成次品、廢品。因此, 必須對(duì)影響工件材料切削加工性的因素進(jìn)行分析, 為以后選擇正確的加工工藝路線提供依據(jù)。主要對(duì)影響工件材料切削加工的各種因素如材料的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、化學(xué)成分、金相組織等進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析, 并提出了改善工件材料切削加工性的基本途徑。關(guān)鍵詞：切削加工、熱處理、工藝路線，物理特性 Abstract: Chemical composition is not the same as the organizational structure of the material, heat treatment, mechanical properties, its machinability is also completely different. Cutting would affect the durability of the tool parts surface quality, the product of productivity, even the parts to be processed into defective, waste. Therefore, we must analyze the factors affecting the machinability of the workpiece material to provide a basis for the future to select the correct processing line. On a variety of factors influence the machining of the workpiece material, such as the mechanical properties, physical properties, chemical properties, chemical composition, microstructure, etc. in a more detailed analysis, and basic way to improve workpiece material machinability.Keywords: Machining, heat treatment, process route, the physical characteristics 3目錄1 緒論 .51.1 概述 .51.2 機(jī)械材料切削發(fā)展歷史 .51.3 材料切削的技術(shù)特點(diǎn) .72 衡量材料切削加工性的指標(biāo) .112.1 生產(chǎn)率和刀具耐用度 .112.2 切削力的大小和切削溫度高低 .112.3 加工質(zhì)量 .112.4 工作穩(wěn)定性和安全生產(chǎn) .123 影響工件材料切削加工性的因素 .133.1 力學(xué)性能對(duì)切削加工性的影響 .133.2 物理、化學(xué)性能對(duì)切削加工性的影響 .133.3 化學(xué)成分對(duì)切削加工性的影響 .143.4 金相組織對(duì)切削加工性的影響 .153.5 切削用量、刀具角度對(duì)切削加工性的影響 .153.6 其他因素對(duì)切削加工性的影響 .164 改善工件材料切削加工性的途徑 .174. 1 改變化學(xué)成分 .174. 2 進(jìn)行合理的熱處理 .174. 3 改善切削條件 .174. 4 優(yōu)選加工方法 .1844. 5 提高毛坯的質(zhì)量 .185 提高切削加工技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的途徑 .195.1 縮減時(shí)間定額 .195.2 采用合理的刀具角度 .195.3 采用合理的熱處理工藝 .195.4 采用先進(jìn)工藝方法 .206 結(jié)論 .21致謝 .22參考文獻(xiàn) .2351 緒論1.1 概述材料的切削加工性能是指工件材料被切削加工成合格零件或產(chǎn)品的難易程度。材料的化學(xué)成分不一樣, 材料的組織結(jié)構(gòu)不同 , 熱處理的方法不同, 力學(xué)性能也不同, 其切削加工性也完全不同。而切削加工性又會(huì)影響刀具的耐用度、零件表面質(zhì)量、產(chǎn)品的生產(chǎn)率, 甚至使被加工零件變成次品、廢品。因此, 必須對(duì)影響工件材料切削加工性的因素進(jìn)行分析, 為以后選擇正確的加工工藝路線提供依據(jù)。1.2 機(jī)械材料切削發(fā)展歷史機(jī)械材料切削原理的研究始于 19 世紀(jì)中葉。1851 年，法國(guó)人 M.科克基拉最早測(cè)量了鉆頭切削鑄鐵等材料時(shí)的扭矩，列出了切除單位體積材料所需功的表格 1864 年，法國(guó)人若塞耳首先研究了刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響 1870 年，俄國(guó)人.季梅首先解釋了切屑的形成過程，提出了金屬材料在刀具的前方不僅受擠壓而且受剪切的觀點(diǎn)。1896 年，俄國(guó)人.布里克斯開始將塑性變形的概念引入金屬切削。至此，切屑形成才有了較完整的解釋。1904 年，英國(guó)人 J.F.尼科爾森制造了第一臺(tái)三向測(cè)力儀，使切削力的研究水平跨前了一大步。1907 年美國(guó)人 F.W.泰勒研究了切削速度對(duì)刀具壽命的影響，發(fā)表了著名的泰勒公式。1915 年，俄國(guó)人.烏薩喬夫?qū)犭娕疾宓娇拷邢魅械男】字袦y(cè)得了刀具表面的溫度（常稱人工熱電偶法），并用實(shí)驗(yàn)方法找出這一溫度同切削條件間的關(guān)系 19241926 年，英國(guó)人 E.G.赫伯特、美國(guó)人 H.肖爾和德國(guó)人 K.科特文各自獨(dú)立地利用刀具同工件間自然產(chǎn)生熱電勢(shì)的原理測(cè)出了平均溫度（常稱自然熱電偶法）。 19381940 年美國(guó)人 H.厄恩斯特和 M.E.麥錢特利用高速攝影機(jī)通過顯微鏡拍攝了切屑形成過程，并且用摩擦力分析和解釋了斷續(xù)切屑和連續(xù)切屑的形成機(jī)理。40 年代以來，各國(guó)學(xué)者系統(tǒng)地總結(jié)和發(fā)展了前人的研究成果，充分利6用近代技術(shù)和先進(jìn)的測(cè)試手段，取得了很多新成就，發(fā)表了大量的論文和專著。例如，美國(guó)人 S.拉馬林加姆和 J.T.布萊克于 1972 年通過掃描電鏡利用微型切削裝置對(duì)切屑形成作了動(dòng)態(tài)觀察，得到用位錯(cuò)力學(xué)解釋切屑形成的實(shí)驗(yàn)根據(jù)。在切削加工過程中, 刀具與工件有著對(duì)立和統(tǒng)一的關(guān)系. 當(dāng)一方有了進(jìn)展或提出新的問題時(shí), 經(jīng)常推動(dòng)另外一方的發(fā)展與前進(jìn).一般來說, 由于生活、生產(chǎn)或戰(zhàn)爭(zhēng)的需要, 工件一方的情況經(jīng)常發(fā)生變化. 例如, 工件材料的機(jī)械性能 (如強(qiáng)度、硬度) 不斷提高、產(chǎn)品的品種和批量逐漸增多、加工精度的要求日益提高、工件的結(jié)構(gòu)及形狀不斷復(fù)雜化和多樣化等. 這樣, 就不斷向刀具提出更新、更高的要求. 當(dāng)?shù)毒卟荒軡M足這些要求時(shí), 就促使人們改進(jìn)刀具, 提高其性能, 以適應(yīng)新的情況. 。刀具性能提高了,反過來推動(dòng)工件進(jìn)一步發(fā)展, 接著工件又推動(dòng)刀具繼續(xù)前進(jìn)。要全面論述這個(gè)問題, 要用很大篇幅和很多資料. 本文先從工件、刀具雙方材料的發(fā)展來加以說明. 從 18 世紀(jì)中葉到 19 世紀(jì)中葉, 工件材料多為灰鑄鐵、熟鐵和鋼合金, 它們較易加工, 當(dāng)時(shí)所用的高碳工具鋼刀具在切削性能方面已可勝任. 19 世紀(jì)中葉以后, 由于采用了轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼 , 鋼的產(chǎn)量迅速增加, 逐步代替了灰鑄鐵、熟鐵等, 成為主要的結(jié)構(gòu)材料. 鋼的加工要難一些. 用高碳工具鋼刀具加工普通鋼材, 只能采用 5 10 m m in- 1 的切削速度. 生產(chǎn)率過低, 于是高碳工具鋼已不能適應(yīng)新的加工要求. 1865 年, 英國(guó)人墨希特(M ushet R) 發(fā)明了合金工具鋼, 使切削速度提高到 8 12m m in- 1. 這樣的提高幅度, 仍是很有限的. 1898 年, 泰勒和懷特發(fā)明了高速鋼, 切削普通鋼材的速度一下子提高到 30m m in- 1. 這就使切削加工效率得到大幅度的提高, 成為金屬切削歷史上的一次重大變革.剛剛發(fā)明高速鋼時(shí), 刀具材料對(duì)于當(dāng)時(shí)加工的需要大體上是適應(yīng)的. 然而, 進(jìn)入 20 世紀(jì)以后, 作為主要工件材料的各種合金鋼和鑄鐵, 其機(jī)械性能日益提高. 尤其是 20 世紀(jì)中葉以來,各種高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、不銹鋼、高硬耐磨鑄鐵、高溫合金、鈦合金, 以及各種非金屬材料、復(fù)合材料等難加工材料相繼出現(xiàn), 高速鋼刀具加工這些材料時(shí)效率又嫌太低, 或者根本切不動(dòng) . 于是, 人們又改進(jìn)高速鋼的化學(xué)成分與熱處理方法, 提高高速鋼的切削性能, 出現(xiàn)了很多新型高速鋼, 如含鈷、高釩超硬高速鋼等. 另外又利用高硬度的高溫碳化物和金屬粘結(jié)劑, 經(jīng)7粉末冶金工藝制成硬質(zhì)合金. 本世紀(jì) 20 年代至 30 年代初, 先后制成鈷鎢類和鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金, 并逐步用于生產(chǎn). 硬質(zhì)合金刀具加工某些金屬的效率, 可比高速鋼提高 4 10 倍. 而且硬質(zhì)合金硬度很高, 可以切削高速鋼所加工不了的材料. 但是, 硬質(zhì)合金脆性較大, 可加工性又差, 因此只能在部分加工范圍內(nèi)代替高速鋼使用. 隨后, 又出現(xiàn)了陶瓷、立方氮化硼、人造金剛石等更為先進(jìn)的刀具材料, 它們的硬度和耐磨性又超過了硬質(zhì)合金. 然而, 這些新刀具材料都因?yàn)檫^脆, 加上價(jià)格昂貴、或?qū)δ承┘庸で闆r不適應(yīng)等原因, 直到最近它們的使用面還不夠廣. 目前, 切削加工仍處在大量使用高速鋼與硬質(zhì)合金的時(shí)代, 高速鋼材料約占全部刀具的 40% 50% , 硬質(zhì)合金約占 50% 60%. 用硬質(zhì)合金、陶瓷等先進(jìn)刀具材料, 可以切削硬度達(dá) HRC60 以上的淬硬鋼和冷硬鑄鐵, 也能夠解決其它各種難加工材料的加工問題. 正因?yàn)槿绱? 這些難加工材料才能夠用于工業(yè)生產(chǎn). 而在 19 世紀(jì)或 20 世紀(jì)初, 要加工這些材料, 是根本不可想象的。1.3 材料切削的技術(shù)特點(diǎn)（1）切削力切削時(shí)刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，這些力組成合力 F，在外圓車削時(shí)，一般將這個(gè)切削合力 F 分解成三個(gè)互相垂直的分力：切向力 F它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常稱主切削力；徑向力 F在平行于基面的平面內(nèi)，與進(jìn)給方向垂直，又稱推力；軸向力 F在平行于基面的平面內(nèi)，與進(jìn)給方向平行，又稱進(jìn)給力。一般情況下，由于刀具的幾何參數(shù)刃磨質(zhì)量和磨損情況的不同和切削條件的改變，F(xiàn) 對(duì) F 的比值在很大的范圍內(nèi)變化。切削過程中實(shí)際切削力的大小，可以利用測(cè)力儀測(cè)出。測(cè)力儀的種類很多，較常用的是電阻絲式和壓電晶體式測(cè)力儀。測(cè)力儀經(jīng)過標(biāo)定以后就可測(cè)出切削過程中各個(gè)分力的大小。（2）切削熱切削金屬時(shí)，由于切屑剪切變形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，這種熱叫切削熱。使用切削液時(shí)，刀具、工件和切屑上的切削熱主要由切削液帶走；不用切削液時(shí)，切削熱主要由切屑、工件和刀具帶走或傳出，8其中切屑帶走的熱量最大，傳向刀具的熱量雖小，但前面和后面上的溫度卻影響著切削過程和刀具的磨損情況，所以了解切削溫度的變化規(guī)律是十分必要的。（3）切削溫度切削過程中切削區(qū)各處的溫度是不同的，形成一個(gè)溫度場(chǎng)切屑和工件的溫度分布，這個(gè)溫度場(chǎng)影響切屑變形、積屑瘤的大小、加工表面質(zhì)量、加工精度和刀具的磨損等，還影響切削速度的提高。一般說來，切削區(qū)的金屬經(jīng)過剪切變形以后成為切屑,隨之又進(jìn)一步與刀具前面發(fā)生劇烈摩擦，所以溫度場(chǎng)中溫度分布的最高點(diǎn)不是在正壓力最大的刃口處，而是在前面上距刃口一段距離的地方。切削區(qū)的溫度分布情況，須用人工熱電偶法或紅外測(cè)溫法等測(cè)出。用自然熱電偶法測(cè)出的溫度僅是切削區(qū)的平均溫度。（4）刀具磨損刀具在切削時(shí)的磨損是切削熱和機(jī)械摩擦所產(chǎn)生的物理作用和化學(xué)作用的綜合結(jié)果。刀具磨損表現(xiàn)為在刀具后面上出現(xiàn)的磨損帶、缺口和崩刃等，前面上常出現(xiàn)的月牙洼狀的磨損，副后面上有時(shí)出現(xiàn)的氧化坑和溝紋狀磨損等。當(dāng)這些磨損擴(kuò)展到一定程度以后就引起刀具失效，不能繼續(xù)使用。刀具逐漸磨損的因素，通常有磨料磨損、粘著磨損、擴(kuò)散磨損、氧化磨損、熱裂磨損和塑性變形等。在不同的切削條件下，尤其是在不同切削速度的條件下，刀具受上述一種或幾種磨損機(jī)理的作用。例如，在較低切削速度下，刀具一般都因磨料磨損或粘著磨損而破損；在較高速度下，容易產(chǎn)生擴(kuò)散磨損、氧化磨損和塑性變形。（5）刀具壽命刀具由開始切削達(dá)到刀具壽命判據(jù)以前所經(jīng)過的切削時(shí)間叫做刀具壽命(曾稱刀具耐用度) ，刀具壽命判據(jù)一般采用刀具磨損量的某個(gè)預(yù)定值，也可以把某一現(xiàn)象的出現(xiàn)作為判據(jù)，如振動(dòng)激化、加工表面粗糙度惡化，斷屑不良和崩刃等。達(dá)到刀具壽命后，應(yīng)將刀具重磨、轉(zhuǎn)位或廢棄。刀具在廢棄前的各次刀具壽命之和稱為刀具總壽命。生產(chǎn)中常根據(jù)加工條件按最低生產(chǎn)成本或最高生產(chǎn)9率的原則，來確定刀具壽命和擬定工時(shí)定額。(6)切削加工性指零件被切削加工成合格品的難易程度。它根據(jù)具體加工對(duì)象和要求，可用刀具壽命的長(zhǎng)短、加工表面質(zhì)量的好壞、金屬切除率的高低、切削功率的大小和斷屑的難易程度等作為判據(jù)。在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，常以作為某種材料的切削加工性的指標(biāo)，它的含義是：當(dāng)?shù)毒邏勖鼮榉昼姇r(shí)，切削該材料所允許的切削速度。越高，表示加工性越好，一般取 60、30、20 或 10 分鐘。(7)加工表面質(zhì)量通常包括表面粗糙度加工硬化殘余應(yīng)力、表面裂紋和金相顯微組織變化等。切削加工中影響加工表面質(zhì)量的因素很多，例如刀具的刀尖圓弧半徑進(jìn)給量和積屑瘤等是影響表面粗糙度的主要因素，刀具的刃口鈍圓半徑和磨損及切削條件是影響加工硬化和殘余應(yīng)力的主要因素。因此，生產(chǎn)中常通過改變刀具的幾何形狀和選擇合理的切削條件來提高加工表面質(zhì)量。(8)切削振動(dòng)切削過程