工件材料切削性能分析

杨震

摘 要：随着工厂的发展，产品型号的增加，新材料的应用，对工厂切削加工技术的要求也越来越高。高质量、高效率、低成本工艺方案的制定变的越来越复杂和困难。在这一背景下，对工件材料进行切削性能的分析变的尤为重要。了解不同材料的切削性能、特点，能帮助我们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、刀具几何参数、切削热、冷却液的选择等多方面的原因，涉及面广、影响因素多，本文仅对工件材料本身进行分析其他方面不做具体的深入分析。

关键词：材料切削；性能；分析

1.我厂产品所使用的主要材料仍以金属为主。不论是黑色金属还是有色金属，每种不同的金属在切削性能上都有着或多或少的差异。这些差异是怎么造成的呢？就材料的角度而言，可分为三个方面：

1.1 材料的化学成分队切削加工性能的影响

通常人们在冶炼钢铁或是其它有色金属时都会参入一些其它的金属或非金属元素，来提高材料的力学性能，改善金属的物理性能。而这些元素的参入同时也影响到了材料切削加工性能。

（1）碳（C）

在钢或铁中，碳（C）是最常见的添加元素。随着碳元素的增加，钢的强度、硬度提高，而塑性和韧性降低。而单方面的强度、硬度过高或是塑性、韧性过高都会给切削加工造成困难。

（2）铬（Cr）

铬也是较为常见的添加元素。它能提高材料的硬度、强度和耐磨性。当钢中铬的含量低于26%时，钢的韧性将随着铬含量的增加而升高。且在切削时容易得到较好的表面粗糙度。

（3）锰（Mn）

锰固溶于铁素体和奥氏体中，扩大奥氏体区，强化铁素体或奥氏体，提高钢的淬透性，使钢中的组织均匀、细化。高材料的强度和硬度，但韧性会降低。

（4）镍（Ni）

镍和铁可以无限固溶，是形成稳定奥氏体的主要合金元素，可提高材料的韧性。强化铁素体并细化和增多珠光体，提高钢的强度。含镍钢的碳含量相对较低，因而有较好的韧性和塑性。

（5）铜（Cu）在铝合金中的作用

利用析出CuAl2相在可热处理的变形和铸造铝合金中进行时效沉淀硬化。同时还加入其它元素以改善性能，提高室温及高温强度。

（6）镁（Mg）在铝合金中的作用

与Si、Cu、Zn一起使用，可产生时效沉淀硬化。与Mn一起可提供很好的冷作硬化效果。含量至3.5%可提高铝的强度。

（7）硅（Si）

改善液态合金的流动性和铸造性能。通过析出Mg2Si可实现沉淀硬化。在合金中会引起脆化。

1.2 材料的力学性能对切削加工性能的影响

材料的力学性能指标很多，主要影响切削加工性能的指标有硬度、强度、塑性、韧性、弹性模量。

1.2.1 硬度

金属的硬度不是一个有明确物理意义的性能指标，而是包含了许多基体力学行为过程在内的一个综合性的概念。广义上是指材料抵抗塑性变形、划痕、磨损和切割的抗力。

硬度的測量方法很多，每种测量的方法其测量单位也不同。常用的有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC、HRA）、维氏硬度（HV）等，这里不再一一赘述。一般说来，材料硬度越高，在切削过程中对刀具的磨损越快，刀具的切削速度也较低。在切削加工时，切削温度很高，此时材料的高温硬度对切削性能应到明显的影响作用。

1.2.2 强度

此处叙述的强度为抗拉强度（σb）。表示材料极限承载能力，当超过这一极限载荷时，材料某一部位变形量会突然增大而后断裂或是直接断裂。该参数对材料切削加工性能有明显的影响。

另外，硬度和强度之间还有存在简单的经验关系。关系式如2-2

σb=KHB （2-2）

不同的材料K值有所不同，钢铁为0.33～0.36，铜合金和不锈钢为0.4～0.55。

2.2.3 塑性

金属材料的塑性变形能力用塑性表示，它是用材料在拉伸试验中总条件延伸率（δk）和总条件断面收缩率（ψk）表示。

延伸率和断面收缩率（即塑性）是一个非常重要的材料性能指标。材料良好的塑性是压力加工的基础，在冷弯、冲压、冷拔、冷轧过程中，金属有较大的流动而不至断裂。塑性好的材料还有较高的加工硬化能力。一般来说，纯金属的塑性比合金高，钢的塑性受含碳量的影响较大，随着含碳量的增加，钢的塑性降低。

在切削加工中，材料塑性的高低会直接影响工件塑性变形程度。随之影响切削力的大小、切削温度的高低、积屑瘤产生的难以程度、切屑的形状，从而决定材料的切削加工性能。在硬度和强度相近的情况下，塑性高的材料在切削过程中会产生较大的切削力，较高的切削温度，加剧刀具的磨损。容易 产生积屑瘤、切屑不易断等现象。

1.2.4 韧性

此处描述的是冲击韧性（αk）。在材料冲击试验，用一定质量的物体以一定的速度冲击一定形状的试样件，测量冲断试样件所需要的能量，该能量值表示被测材料的冲击韧性，单位为J/cm2。

在材料冲击试验中，冲断试样所消耗的功Ak包括弹性扩展功、塑性变形功、裂纹形成功和裂纹扩展功，且无法彼此区分。所以冲击韧性（αk）并不具备明确的物理意义。只能对材料的性能提供定性的、或是趋势性的评估。在长期的生产实践中，人们积累了各种材料的冲击韧性数据，并应用到生产中。

1.3 材料的物理性能对切削加工性能的影响

材料物理性能包括很多方面，如电阻温度系数、导磁率、导热系数、线膨胀系数等等。本文讨论的是材料切削加工性能，只对材料的导热系数和线膨胀系数作一些分析

1.3.1 导热系数

该物理量表证物体导热能力的大小。导热系数高的材料有优良的导热性能。

在切削加工过程当中，会产生大量的热量。这些热量大部分由切屑带走，剩余热量传导给刀具、工件及散发至周围环境中。如果材料的导热系数高，切屑带走的热量就相对较多，切屑温度降低有利于延长刀具使用寿命，减小工件的热变形。

1.3.2 线膨胀系数

一般是指在外界温度、压力（主要指温度）变化时，物体的线性尺寸随温度、压力（主要指温度）的变化率。该物理性能对工件的尺寸精度和切削过程有一定影响。

我厂作为一个惯性元器件的生产厂家，产品零件尺寸精度较高。这一参数的大小在加工中对零件尺寸精度的影响也较大。所以在精加工时要注意温度的控制，如保持加工环境温度恒定，加工过程中要使用冷却液，测量环境温度与加工环境温度保持一致。

2 结论

以上仅从材料方面分析了材料本身的切削加工性能。而在实际生产中，材料的切削性能还要相对刀具材料，刀具角度，工艺方法等等相关。上文中的参数对确定切削加工中其他的参数起到一个参考作用。而在对这些参数进行分析比较的同时，也要结合具体的加工方法，如在硬度一节中描述，硬度越高对刀具的磨损越严重，加工性能越差。但对于磨削加工来说，硬度高却并不影响其加工性能，反而是硬度过低，在加工过程中容易堵塞砂轮。因此，在制定加工工艺时，应从材料本身特性出发，结合工艺方法、零件要求及加工环境，具体问题具体分析，制定出一个合理、高效、低成本的工艺方案。

参考文献：

[1]陆剑中，孙家宁.金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社，2011