解決難加工材料加工問(wèn)題的有效途徑

1、 刀具的切削性能，不僅決定于刀具材料，還與刀具的結(jié)構(gòu)及幾何形狀有關(guān)。這是刀具材料是最重要的因素。研制和選用先進(jìn)的刀具材料是解決難加工材料切削加工最有效的手段之一。

2、除改進(jìn)刀具以外，優(yōu)化切削條件和采用新的切削方法也是解決難加工材料加工問(wèn)題的有效途徑。切削條件指機(jī)床設(shè)備、切削用量和切削液等。新切削方法是指非常規(guī)的切削加工方法，如加熱切削、振動(dòng)切削等。

從使用新刀具材料和新切削方法兩個(gè)方面，論述難加工材料切削技術(shù)的發(fā)展。

現(xiàn)代難加工材料的種類

隨著航空航天工業(yè)、核工業(yè)、兵器工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、電子工業(yè)以及現(xiàn)代化機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品零部件材料的性能有著各種各樣的高水平要求。有的在高溫、高應(yīng)力狀態(tài)下工作，有的要耐腐蝕、耐磨損，有的要能絕緣，有的則需有高導(dǎo)電率。故現(xiàn)代新的工程材料形形色色，多種多樣，不斷涌現(xiàn)，猶如雨后春筍。不僅使用一般的碳素結(jié)構(gòu)鋼，而且使用了高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼、高錳鋼和不銹鋼；不僅使用一般的灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵，而且使用了合金耐磨鑄鐵和冷硬鑄鐵；不僅使用黑色金屬，而且使用了鈦合金、銅合金、鋁合金及其它有色金屬；不僅使用一般的鐵碳合金，而且使用了多元合金如高溫合金等；不僅使用以珠光體、鐵素體為主的普通鋼材，而且使用了以索氏體、托氏體為主的中硬鋼和馬氏體淬硬鋼；不僅使用冶煉方法制成的金屬材料，而且使用了粉末冶金和熱噴涂等方法制成的金屬零件；不僅大量使用金屬材料，而且大量使用了各種非金屬材料，如石材、陶瓷、工程塑料、纖維和顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料等。

在上述各種新工程材料中，有不少是屬于難切削的，即所謂“難加工材料”。難加工的原因一般是以下幾個(gè)方面：

① 高硬度

② 高強(qiáng)度

③ 高塑性和高韌性

④ 低塑性和高脆性

⑤ 低導(dǎo)熱性

⑥ 有微觀的硬質(zhì)點(diǎn)或硬夾雜物

⑦ 化學(xué)性質(zhì)活潑。

新工程材料的這些特性一般都能使切削過(guò)程中的切削力加大，切削溫度升高，刀具耐用度下降；有時(shí)還將使已加工表面質(zhì)量惡化，切屑難以控制；最終則使加工效率和加工質(zhì)量降低。

機(jī)械加工工作者的任務(wù)是針對(duì)難加工材料的特點(diǎn)，對(duì)癥下藥，提出措施，采用新的加工技術(shù)，保證所需的加工效率和加工質(zhì)量。

各種難加工材料的切削加工特點(diǎn)

1）高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼

調(diào)質(zhì)（淬火，中溫回火）后σs>1 000 MPa或σb>1 100 MPa的結(jié)構(gòu)鋼，稱為高強(qiáng)度鋼。調(diào)質(zhì)后σs>1 200 MPa或σb>1 500 MPa的結(jié)構(gòu)鋼，稱為超高強(qiáng)度鋼。在這類鋼材中，凡含碳量在0.30%~0.50%之間，合金元素總量不超過(guò)6%的，為低合金高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼，在生產(chǎn)中用得最多。還有合金元素含量較多的中合金、高合金高強(qiáng)度與超高強(qiáng)度鋼，它們的加工難度更大。

高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼的金相組織一般為索氏體和托氏體。與普通碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，它們的硬度、強(qiáng)度較高（約比45鋼高出1倍或1倍以上），沖擊值較大，導(dǎo)熱系數(shù)偏低，故切削力較大，切削溫度較高。加工高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼時(shí)，可選用與加工普通碳素鋼相同的刀具材料。根據(jù)粗加工、半精加工、精加工的要求，分別采用不同牌號(hào)的YT類硬質(zhì)合金，最好是添加鉭鈮的牌號(hào)。高速精加工時(shí)，應(yīng)采用高TiC含量的YT類合金，也可采用YN類合金（金屬陶瓷）、涂層合金與Al2O3陶瓷。在工藝系統(tǒng)鋼性允許的情況下，前角和主偏角應(yīng)較小，刀尖圓弧半徑應(yīng)較大。必須采用低于加工中碳正火鋼的切削用量，尤其是切削速度。

2） 高錳鋼

高錳鋼的典型牌號(hào)有Mn13，40Mn18Cr3，50Mn18Cr4等。經(jīng)過(guò)水韌處理，金相組織為均勻的奧氏體。它的原始硬度雖不甚高，但其塑性和韌性特別高，加工硬化特別嚴(yán)重。硬化后可達(dá)HBW500。它的導(dǎo)熱系數(shù)很小，只為45鋼的1/4。切削力比加工中碳鋼時(shí)增大60%，切削溫度很高。應(yīng)選用硬度高、有一定韌性、導(dǎo)熱系數(shù)較大、高溫性能好的刀具材料。一般，粗加工時(shí)應(yīng)選用YG類和YW類硬質(zhì)合金；精加工時(shí)可用YW或YT14合金，用Al2O3陶瓷刀具進(jìn)行高速精加工效果很好。宜采用較小的前角和主偏角，較大的后角，切削速度應(yīng)較低，進(jìn)給量應(yīng)較大。

3） 淬硬鋼和冷硬鑄鐵

淬硬鋼的組織為回火馬氏體，硬度可達(dá)HRC60以上。塑性和導(dǎo)熱系數(shù)均極低。冷硬鑄鐵的特點(diǎn)是鑄鐵表面經(jīng)激冷而發(fā)生“白口”（組織為滲碳體加珠光體），硬度亦達(dá)HRC52~HRC60，其它性能與淬硬鋼相近。宜采用YG類合金（YG類的彈性模量大于YT類合金）。用Al2O3或Si3N4基陶瓷刀具對(duì)淬硬鋼和冷硬鑄鐵進(jìn)行精加工、半精加工，效果比硬質(zhì)合金好。刀具前角和主偏角應(yīng)小，切削速度應(yīng)低。半精加工和精加工時(shí)可用CBN刀具。

4） 不銹鋼和高溫合金

鐵素體、馬氏體不銹鋼的切削加工并不太難。奧氏體不銹鋼（如1Cr18Ni9Ti)加工難度較大，它的原始硬度、強(qiáng)度都不太高，但塑性、韌性很高，加工硬化嚴(yán)重，且有一定數(shù)量的硬質(zhì)夾雜物，導(dǎo)熱系數(shù)很?。?5鋼的1/3），切削力較大，切削溫度較高。高溫合金的加工難度更大，其原始硬度、強(qiáng)度偏高，導(dǎo)熱系數(shù)很?。?5鋼的1/3~1/4），硬夾雜物多，加工硬化嚴(yán)重，切削力大，切削溫度高。高溫合金中含有許多高熔點(diǎn)合金元素，如Fe，Ti，Cr，Co，Ni，V，Mo，W等，它們與非金屬元素N、C、B等結(jié)合成比重小、熔點(diǎn)高的高硬度化合物，還能形成有一定硬度和韌性的金屬間化合物，這些都能加劇刀具的磨損。加工不銹鋼和高溫合金都應(yīng)采用YG類和YW類硬質(zhì)合金，而不能用含Ti的YT類合金。采用適當(dāng)?shù)牡毒咔敖?，切削速度?yīng)較低，進(jìn)給量應(yīng)較大。必要時(shí)也可采用高速鋼刀具。

5） 熱噴涂材料

利用不同熱源，將合金粉末（Ni基、Fe基、Co基等）或陶瓷等材料加熱至溶化狀態(tài)，并在較大壓力和噴射速度下噴涂到工件表面上，從而形成一層牢固的、耐高溫、耐磨損的保護(hù)層。熱噴涂材料的成分、性能及加工性都與高溫合金相似，硬度尤高，刀具材料及切削用量的選用原則亦與高溫合金相近。株洲廠的YC09硬質(zhì)合金加工熱噴涂材料很有效。

6） 鈦合金

鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)極?。ㄖ粸?5鋼的1/6），化學(xué)性質(zhì)活潑，易與大氣中氧、氮等化合而形成硬脆物質(zhì)，刀屑接觸界面短，切削溫度高，彈性模量小。只能采用YG類硬質(zhì)合金。刀具前角應(yīng)小，切削速度應(yīng)低，進(jìn)給量應(yīng)較大。必要時(shí)也可采用高速鋼刀具。

7） 石材

石材不僅是建筑材料，而且越來(lái)越多地用作機(jī)械工程材料。石材都較硬，例如輝綠巖為HS80，大理石為HS50，花崗巖達(dá)HS100以上。它們都是抗壓強(qiáng)度高，抗彎強(qiáng)度低，材質(zhì)不如金屬材料均勻。出粉狀或粒狀碎屑。一般用YG類硬質(zhì)合金加工，切割時(shí)常用金剛石鑲齒鋸片。

8） 工程塑料

工程塑料的品種非常多，按其性質(zhì)的不同可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。前者有聚氯乙烯、聚丙烯、有機(jī)玻璃等，后者有膠木、玻璃鋼等。塑料的比重小，比強(qiáng)度高，耐磨損，抗腐蝕，不導(dǎo)電，具有良好的使用性能。它們的硬度、強(qiáng)度雖然不高，但導(dǎo)熱系數(shù)極小，只為碳鋼的1/175~1/450，加工時(shí)容易引起燒傷和熱變形。彈性模量小，不易保證加工尺寸。刀具材料一般選用YG類硬質(zhì)合金或高速鋼。

9） 復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)材料

復(fù)合材料可以由金屬、高聚物和陶瓷三者中任意兩個(gè)人工合成。復(fù)合材料包括纖維增強(qiáng)材料和顆粒增強(qiáng)材料。纖維增強(qiáng)的有碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）和Kevlar纖維（KFRP）等。纖維增強(qiáng)材料的彈性模量和導(dǎo)熱系數(shù)都很小，已加工表面易發(fā)生回彈、撕裂，產(chǎn)生毛刺；纖維對(duì)刀具切削力有一定擦傷作用。故表面質(zhì)量不易保證，刀具耐用度亦受影響。切削力和表面粗糙度常因切削方向不同而變化。刀具材料宜選用YG類硬質(zhì)合金或高速鋼。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的基體（如鋁合金）雖較軟，但顆粒（如SiC）很硬，對(duì)刀具切削力有沖擊和刮傷，故刀具受損傷很大。一般，高速鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷刀具切削顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料均不能勝任；建議用CBN或金剛石刀具，但應(yīng)采取增強(qiáng)刀具切削力的措施。

新的難加工工程材料不僅是以上所提到的，還有其它的類型，如純金屬（純鐵、純銅、純鎳）、高比重合金以及陶瓷等等，它們的加工性也各有特色，此處不一一介紹。