材料的切削性

SS400SS400 S10CS10C S45CS45C SNCM439SNCM439 SCM440SCM440 SKD61SKD61 NAK55NAK55 SUS304SUS304 SUS316SUS316 SUJSUJ FC250FC250 FCD700FCD700 SCr420HSCr420H ADC12ADC12 TiTi－－6Al6Al－－4V4V Inconel718Inconel718 HastelloyHastelloy C C－－276276FCD450FCD450 AC4BAC4B 工件材料硬度工件材料硬度 材料强度材料强度 加工硬化性加工硬化性 热传导率热传导率 延展性延展性 亲和性亲和性 SS400SS400 S10CS10C S45CS45C SNCM439SNCM439 SCM440SCM440 SKD61SKD61 NAK55NAK55 SUS304SUS304 SUS316SUS316 SUJSUJ FC250FC250 FCD700FCD700 SCr420HSCr420H ADC12ADC12 TiTi－－6Al6Al－－4V4V Inconel718Inconel718 HastelloyHastelloy C C－－276276 FCD450FCD450 AC4BAC4B 工件材料硬度工件材料硬度 材料强度材料强度 加工硬化性加工硬化性 热传导率热传导率 延展性延展性 亲和性亲和性 材料的切削性材料的切削性 何谓切削性? 通用车床 NC车床 通用铣床 加工中心 复合加工机 凭借熟练操作工的 经验与直觉的时代 生产系统的自动化得到进步 研究适合工 件材料的切 削条件并选 择适合的刀 具，之后再 制定程序 是很必要的 用于切削加工的 金属材料的切削性是 古老而又现代的问题 影响切削加工的要素(1) 切削加工中的期望 加工时间短刀具寿命长加工精度好 哪些信息是必要的呢? 工件材料的材质・硬度・形状机床的性能 可以选出最佳刀具 影响切削加工的要素(2) 切削加工切什么用什么怎样切＝＋＋ ●工件材料 种类 硬度 形状 切削处所 刚性 ●使用刀具 种类 材料 形状 ●使用机床 种类 马力 刚性 特性 ●切削条件 切削速度 进给 切深 ●其他 切削力 切削液 要 素 切削条件 刀 具 工件材料 本身的特性 加工方法 使用的机床 何谓切削性? 切削性就是．． ． 工件材料在切削加工时的难易度 易切削程度、难切削程度 种种要因 切屑的形成 咬入工件的切削刃，以足以超过断面 强度的力量压缩工件，结果就形成了断 裂的切屑，从前刀面上滑落下来。 剪断面 刀尖 工件 切屑 前刀面 切屑 剪断面 刀尖 前刀面 工件 R’ 高硬度 高强度 加工硬化性: 大 热传导率: 小 延展性: 大 亲和性: 大 材料中的坚硬微粒 刀具寿命短 切削力大 切削温度高 表面精度差 切屑处理性差 金属材料的切削性 材料特性与切削加工中几个问题点的关系 材料特性 切削加工中的几个问题点 工件材料的分类工件材料的分类 19581958年年 ISO (International Organization for Standardization : ISO (International Organization for Standardization : 国际标准国际标准) ) 根据切屑形态把工件材料分成以下3种 P P系列系列M M系列系列K K系列系列 使用分类代号使用分类代号 ＊非硬质合金的材料分类！ S S系列系列H H系列系列N N系列系列 2003年重新分类 按照切削性 增加3个种类 切 屑 形 态 断续型切屑 切屑变成断续状 、 刀具上 下振动 上下振动 高碳钢高碳钢 SUSSUS等等 连续型切屑 形成流畅的切屑 碳钢碳钢 合金钢合金钢 崩碎型切屑 切削脆性材料时形成 铸铸 铁铁 PM K 各工件材料的特征(钢) 软钢 S10C~S20C(机械用碳素结构钢) SS400(一般用轧制结构钢) STKM(机械用碳素结构钢钢管) 普通钢 S25C~S50C(机械用碳素结构钢) SCM(铬钼钢) SNCM(镍铬钼合金钢) SCr(铬钢) 钢 种类 ・容易产生积屑瘤。 ・切屑伸长。 ・表面精度变差。 ・切屑处理时，易分断。 ・一般的切削条件下，利用涂层提高刀具 寿命很重要。 切削性・切屑形态 ・高速切削时，使用金属陶瓷 材料应对积屑瘤问题。 切削中的要点 ・SUJ材料易产生熔敷， 因此，金属陶瓷是最佳材料 。 P系列 各工件材料的特征(不锈钢) 不锈钢 SUS304(奥氏体类) SUS430(铁素体类) SUS416(马氏体类) SUS630(沉淀硬化类) 种类 ・加工硬化剧烈，易产生积屑瘤。 ・切屑强韧，易产生振动。 ・切屑接触部分接近刀尖。 切削性・切屑形态 ・切削锋利性与切屑排出性 好的材料。 ・采取措施处理积屑瘤。 切削中的要点 M系列 各工件材料的特征(铸铁) 普通铸铁 FC(灰铸铁) 高级铸铁 FCD(球墨铸铁) FCMP(珠光体可锻铸铁) 冷硬铸铁 种类 ・切屑细小分断。 ・切削刃强度要大。 ・后刀面磨损大。 ・切屑连续不断。 ・材料强度高、切削力高。 ・易发生熔敷。 切削性・切屑形态 ・小欠损对策。 切削中的要点 ・如果用FCD600~800，刀具 寿命就减少至1/4~1/7。 ・降低切削力。 欠损 裂纹 鋳 鉄 K系列 各工件材料的特征(有色金属・非金属) 铝合金・铜合金 AC＊＊A, B, CH, D ADC＊＊ C＊＊＊＊P, BD, T 种类 ・容易产生积屑瘤。 ・工件刚性低、易产生高频振动。 ・要求很高的表面精度。 切削性・切屑形态切削中的要点 ・提高切削锋利性应对 积屑瘤问题。 ・使用金刚石烧结体。 N系列 各工件材料的特征(耐热合金) 超耐热合金 Ni基合金(因可耐尔・瓦斯帕罗依・ 哈斯特洛伊) Co基合金 种类 ・刀尖温度高。 ・容易产生积屑瘤。 ・易崩刃。 切削性・切屑形态切削中的要点 ・设定比SUS更低的条件。 ・刀尖强度与切屑排出性好的 材料。 ・从低条件开始设定。 ・刀尖强度与切屑排出性好的 材料。 耐热合金 SUH35(奥氏体类) SUH446(铁素体类) SUH3(马氏体类) ・刀尖温度高。 ・容易产生积屑瘤。 ・易崩刃。 S系列 各工件材料的特征(高硬度材料) 高硬度钢 SKD, SKS(合金工具钢) SKH(高速钢) 种类 ・材料强度高、易发生崩刃。 ・有粘性、切削力高。 ・经过热处理的材料切削温度更高。 切削性・切屑形态切削中的要点 ・从低条件开始设定。 H系列 合金钢的特征是：添加了各种各样的合金元素，因此，淬硬性・韧性・强度 等等机械特性优异。 合金钢应用于机床零部件・汽车零部件・工具等等广泛的领域。 切削合金钢(包括所有钢材)时生成的切屑是连续型，在切屑处理性方面，易 分断。但是，在低碳钢的切削中，易产生熔敷、切屑易伸长，切削性差。 钢材：连续型 合金钢的特性 合金钢的化学成分 - - 0.15-0.45 0.15-0.70 C Si Mn P S Ni Cr Mo S10C～S58C (机械用碳素结构钢) SCr415～SCr445 (铬钢) SCM415～SCM822 (铬钼钢) SNCM220～SNCM815 (镍铬钼合金钢) 种类的代号 单位%(min-max) JIS手册 钢铁Ⅰ 1996 G4051，G4104，G4105，G4103 0.08-0.61 0.13-0.48 0.13-0.48 0.12-0.50 0.15-0.35 0.15-0.35 0.15-0.35 0.15-0.35 0.30-0.90 0.60-0.85 0.30-1.00 0.35-1.20 0.030以下 0.030以下 0.030以下 0.030以下 0.035以下 0.030以下 0.030以下 0.030以下 - - - 0.40-4.50 - 0.90-1.20 0.90-1.20 0.40-3.50 合金钢的机械性质 合金钢的机械性质由于每个成品的热处理状态不同，会产生各种各样的变化， 因此没有特别规定。 合金元素与切削性 量 少 中 多 Mn 锰 Si 硅 Cr 铬 Ni 镍 Mo 钼 V 钒 Cu 铜 W 钨 S 硫 P 磷 Pb 鉛 Co 钴 微量较好 0.5～ 0.8%最好 无影响无影响0.5%以内 影响小 0.15～ 0.4%好 好同Ni影响小好 稍好 除SUS以外的 材料不添加 作为易 切钢最 多添加 到大约 0.2% 不会有 好的影响 逐渐恶化 差 好 好 ( 至0.3%) 同Ni 同Ni 大于5% 恶化 大于18% 恶化 大于5% 差 大于1% 差 大于12% 差 大于8% 差 大于5% 差 大于12%Mn 差 逐渐恶化 0.5～1% 无影响 大于0.8% 逐渐 变差 大于0.05% 稍稍 恶化 使基体固溶 变硬。 使加工硬化 加剧。 使基体变得 易熔敷。 使基体固溶 变硬。 产生硬粒子 使加工硬化 加剧。 使热传导率 变差。 使基体变得 易熔敷。 产生坚硬 碳化物。 产生硬粒子 使加工硬化 加剧。 使热传导率 变差。 使基体变得 易熔敷。 使基体固溶 变硬。 使加工硬化 加剧。 使基体变得 易熔敷。 使基体固溶 变硬。 产生 硬碳化物。 使基体变得 易熔敷。 使基体固溶 变硬。 产生 硬碳化物。 使加工硬化 加剧。 使加工硬化 加剧。 使基体固溶 变硬。 产生 硬碳化物。 使钢材具有 易切性。 使钢材具有 易切性。 使钢材具有 易切性。 对切削性的影响 高温硬化。 促进钢基 体内的C以 及各种碳化 物的溶解 逐渐恶化逐渐恶化 不锈钢作为耐蚀或耐热材料被广泛地使用。 种类很多，根据化学成分的不同其耐蚀性、耐热性、 或机械性质也有所不同，而且切削难易度方面也存在很大差异。 种类 (1) 马氏体类 (2) 铁素体类 (3) 奥氏体类 (4) 沉淀硬化类 (5) 双金属类 (6) 其它(易切类等) 不锈钢的种类 A. 马氏体类(SUS403, 410, 416, 420J, 420F, 431等) 以Cr为主要成分，由于热处理，使其性质在大范围内产生变化。 如果进行热处理，切削性将变差，未经热处理品更易切削。 普通结构用 (淬火产品 HRC40) 涡轮叶片 B. 铁素体类(SUS405, 430, 430F) 以Cr为主要成分，不会有热处理导致硬化等问题。比马氏体不锈钢 的切削性好。 用于耐腐蚀性好的螺栓或螺母。 C. 奥氏体类(SUS302, 303, 304, 316, 317, 321, 347等) 以Cr与Ni为主要成分，虽无淬火硬化，但加工硬化性高， 使其在不锈钢中成为最难切削的一种。 由于基本组成含有Cr18%、Ni 8%，也被称为18-8不锈钢。 用于食品制造设备、耐热耐蚀用、原子能相关等广泛领域。 不锈钢的特性与用途 不锈钢的 难切削特性 易发生 加工硬化 热传导率小 与刀具材料的 亲和性高 易发生刀具磨损 切削刃易塑性变形 易崩刃或欠损 易发生切口边界磨损 切削中刀尖温度高 材料特性 切削现象 不锈钢的材料特性与切削性 碳钢 S45C 奥氏体类不锈钢 SUS316 超耐热合金 Inconel Alloy 718 耐热钢 SUH31 切屑如果形成锯齿状，切削力的波动就会变大，易发生振动・崩刃・边界磨损等现象。 不锈钢的锯齿状切屑 不锈钢的加工硬化性 距表面的距离 (mm) 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 00.20.4 硬度 (Hv) SUS304 S45C 切削条件 切削速度 ： 100 m/min 切削进给 ： 0.12 mm/rev 切削加工的表面加工硬化 边界损伤与毛刺(毛边)的发生 边界损伤大 边界损伤小正常磨损 不锈钢SUS304的车削加工中，前角与切削温度的关系 切削条件 工件材料 ：SUS304 刀具材料 ： P10切削刃形状 ： 0, a, 5, 5, 5, 5, 0.5 mmR V = Var m/minf = 0.2 mm d = 2.0 mm Dry α＝前角 前角的影响 (引用文献 中村裕道：高速切削中硬质合金工具的研究,机床与刀具,1962～1964) 63m/min80m/min100m/min125m/min 切削速度 主偏角 工件材料 ： 不锈钢SUS304(HB173) 刀具材料 ： 硬质合金 M20 切削条件 ： vc = Var m/min, ap = 1.5 mm, f = 0.3 mm/rev 切削液 ： 干式 不锈钢SUS304的车削加工中，主偏角与刀具损伤的比较 切削刃形状的影响；主偏角 ( 引用文献 狩野胜吉：由数据了解切削加工的最先端技术，工业调查会，1992，P500 ) 不锈钢加工的要点 ■尽力避免与加工硬化层摩擦切削。 ■增大切削刃前角，从而降低切削力、减少发热量。 ■尽量减小刃口修磨。 ■选择不会引起熔敷的刀具材料、切削条件。 ■不会引起振动的刀具 、机床及工件刚性很必要。 灰铸铁因为含有片状石墨，所以也被称为片状石墨铸铁。 片状石墨这种物质，本身就起到润滑剂的作用，因此具有很强的耐磨损性。 ( 用于机床床身、气缸套等等。) 但是，灰铸铁中含有石墨(易剥落且脆的结晶)，就会具有耐冲击性差、无延展 性的特性。 灰铸铁的结构 石墨 FC材料：崩碎型切屑 珠光体( 硬质) 灰铸铁的特性 灰铸铁的化学成分 FC100 FC150 FC200 FC250 FC300 FC350 - – 0.1 – 0.1 – 0.1 – 0.1 – 0.1 C Si Mn P S 种类代号 单位% 大河出版 JIS钢铁材料入门精粹 - 3.4 – 3.6 3.1 – 3.4 3.0 – 3.3 2.0 – 3.1 2.9 – 3.1 - 2.1 – 2.5 1.7 – 2.5 1.5 – 2.2 1.4 – 1.8 1.4 – 1.8 - 0.5 – 0.8 0.5 – 0.8 0.7 – 0.9 0.7 – 0.9 0.7 – 0.9 - – 0.4 – 0.3 – 0.2 – 0.1 – 0.1 灰铸铁的机械性质 FC100 FC150 FC200 FC250 FC300 FC350 100以上 150以上 200以上 250以上 300以上 350以上 201以下 212以下 223以下 241以下 262以下 277以下 种类代号 抗拉强度 N/mm2 硬 度 HB JIS手册 钢铁Ⅰ 1996 G 5501 • 石墨的润滑作用与切屑的破碎效果使切削性好。 • 生成崩碎型切屑时，发生高频率振动。 • ＊易发生小欠损。 ＊何谓小欠损? 小欠损是指在铸铁的铣削 加工中，切削刃切掉材料时 切削力过大引起的。 欠损 裂纹 铸 铁 FC材料：崩碎型切屑 灰铸铁的切削性 灰铸铁的问题点 •生成崩碎型切屑、发生高频振动。 •与切削刃接触的被加工物表面部分或切屑的内表面部分平滑度差， 易造成刀具磨损，引起磨蚀现象。 FC材料：崩碎型切屑 FCD材料通常被称为球墨铸铁。 D（ductile），含有易延伸、柔软的意思。 也就是说FCD材料具有不易折断、像钢材一样可延展的特征， 且强度高，可以实现零部件等的薄壁化。 Steel材料：连续型FC材料：崩碎型 FCD材料的切屑 球墨铸铁的特性 球墨铸铁的化学成分 FCD350-22 FCD400-18 FCD400-15 FCD450-10 FCD500-7 FCD600-3 FCD700-2 FCD800-2 2.5以上 2.7以下 0.4以下 0.08以下 0.02以下 0.09以下 － － － C Si Mn P S Mg种类代号 单位% JIS手册 钢铁Ⅰ 1996 G 5502 ■ 不易折断。 ■ 工件可以薄壁化。(轻量化) ■ 切削性低。(刀具寿命低:球状石墨、珠光体结构 其他) 普通铸铁的结构 球墨铸铁的结构 石墨 铁素体( 软质) 珠光体( 硬质) 普通铸铁与球墨铸铁的区别 铸铁的切削性 切削条件 Vc=200m/min fz=0.3mm/rev ap=1.5mm Wet(水溶性) 刀片: SNMA120408 UC5005 连续切削 切削时间(min) FCD500(铁素体+珠光体) FCD450(铁素体) FC300 FCD600(珠光体+铁素体 ) FCD800(珠光体) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 020406080100 后刀面磨损宽(mm) FC300 FCD450 FCD500 FCD600 FCD800 球墨铸铁切削时的问题点 ■ 切削时发热量多。 ■ 切屑伸长。这点加上发热量的问题导致前刀面易磨损。与钢切 削相比，这种磨损的发生位置靠近切削刃。 ■ 比FC的切削力高，切削振动使得易发生崩刃。 ■ 坚硬的珠光体结构会促进刀具磨损。 ■ 软质铁素体结构，使得易发生熔敷(前刀面、后刀面) ■ 有的材料是经过热处理的。 奥氏体球墨铸铁 ： FCADxxx 奥氏体类 ： FCDAxxx 铝合金的特征 ■轻质材料。 ■耐腐蚀性好。 ■电阻小。 ■非磁性。 ■光、热反射功能优。 ■可加工性优。 ■易再利用。 ■ 加工速度快。 － 是钢铁的4倍以上。 ■ 可长时间连续加工。 － 比钢铁加工磨损小。 ■ 适用的切削条件范围广。 － 从轻切削到重切削相对容易。 ■ 加工需要的能量很少。 － 塑性变形抗力小。 ■ 加工精度高。 － 很容易达到10μm的加工精度。 ■ 对机床刚性的限制少。 － 钢铁加工中塑性变形抗力大，在要求精度的情况下，机床 的刚性就成为问题，而铝合金这方面的问题很少。 切削加工时的优点 ■ 切屑处理性差。 － 切屑易伸长、缠绕。 ■ 切削中易变形。 － 因刀具的压力或装卡有时会导致工件变形。 ■ 表面容易受损伤。 ■ 切削加工表面易生成加工变质层。 － 材料柔软，切削表面附近易生成与内部不同的变质层。 ■ 需要大量的切削液。 －切削表面易挤裂，所以采取使用切削液的对策。 另外，热膨胀系数大，防止由切削热引起的尺寸变化也很 必要。 切削加工时的缺点 切削加工时的注意点 ■ 比起钢・铸铁等的加工，要求更高的面精度。(3S~6S) ■ 切削刃易熔敷，因此会发生精加工面差・毛刺・崩刃等现象。 ■ 切削刃的磨损对加工面精度・毛刺的发生有很大影响，因此后刀 面即使仅有一点磨损也很有必要替换。 ■ 零部件形状是薄壁的情况多，由于工件刚性低，工件的夹持力不 能太大，因此易发生振动。 ■ 与加工面精度一样，平面度・平坦度也要求精度。 铝合金中添加物的影响（1） ■ 铸铝等合金的Si含量通常在8～12%。 以高耐磨损性和小热变形性为目的，添加Si。 ■ 析出的硬质Si粒子使刀具磨损受到影响。 那就是Si含量越多就越促进刀具磨损。 ■ 一般Si含量超过12%的合金(高硅铝合金)就变成了过共晶结构，大 量的Si粒子析出，切削性急剧恶化。另外，析出粒子的大小对切削 性也有影响，越大切削性则越差。 高硅铝合金在光学显微镜下的照片 A4032 Si 11.5～13.5% A390 Si 16.0～18.0% 高硅铝合金在车削加工中的刀具磨损进展曲线图 高硅铝合金与铸铁在车削加工中的刀具磨损曲线图 铝合金中添加物的影响（2）