楊震

摘 要：隨著工廠的發(fā)展，產(chǎn)品型號(hào)的增加，新材料的應(yīng)用，對(duì)工廠切削加工技術(shù)的要求也越來(lái)越高。高質(zhì)量、高效率、低成本工藝方案的制定變的越來(lái)越復(fù)雜和困難。在這一背景下，對(duì)工件材料進(jìn)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(diǎn)，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(shù)、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(duì)工件材料本身進(jìn)行分析其他方面不做具體的深入分析。

關(guān)鍵詞：材料切削；性能；分析

1.我廠產(chǎn)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(gè)方面：

1.1 材料的化學(xué)成分隊(duì)切削加工性能的影響

通常人們?cè)谝睙掍撹F或是其它有色金屬時(shí)都會(huì)參入一些其它的金屬或非金屬元素，來(lái)提高材料的力學(xué)性能，改善金屬的物理性能。而這些元素的參入同時(shí)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(jiàn)的添加元素。隨著碳元素的增加，鋼的強(qiáng)度、硬度提高，而塑性和韌性降低。而單方面的強(qiáng)度、硬度過(guò)高或是塑性、韌性過(guò)高都會(huì)給切削加工造成困難。

（2）鉻（Cr）

鉻也是較為常見(jiàn)的添加元素。它能提高材料的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。當(dāng)鋼中鉻的含量低于26%時(shí)，鋼的韌性將隨著鉻含量的增加而升高。且在切削時(shí)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(kuò)大奧氏體區(qū)，強(qiáng)化鐵素體或奧氏體，提高鋼的淬透性，使鋼中的組織均勻、細(xì)化。高材料的強(qiáng)度和硬度，但韌性會(huì)降低。

（4）鎳（Ni）

鎳和鐵可以無(wú)限固溶，是形成穩(wěn)定奧氏體的主要合金元素，可提高材料的韌性。強(qiáng)化鐵素體并細(xì)化和增多珠光體，提高鋼的強(qiáng)度。含鎳鋼的碳含量相對(duì)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(jìn)行時(shí)效沉淀硬化。同時(shí)還加入其它元素以改善性能，提高室溫及高溫強(qiáng)度。

（6）鎂（Mg）在鋁合金中的作用

與Si、Cu、Zn一起使用，可產(chǎn)生時(shí)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(qiáng)度。

（7）硅（Si）

改善液態(tài)合金的流動(dòng)性和鑄造性能。通過(guò)析出Mg2Si可實(shí)現(xiàn)沉淀硬化。在合金中會(huì)引起脆化。

1.2 材料的力學(xué)性能對(duì)切削加工性能的影響

材料的力學(xué)性能指標(biāo)很多，主要影響切削加工性能的指標(biāo)有硬度、強(qiáng)度、塑性、韌性、彈性模量。

1.2.1 硬度

金屬的硬度不是一個(gè)有明確物理意義的性能指標(biāo)，而是包含了許多基體力學(xué)行為過(guò)程在內(nèi)的一個(gè)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(cè)量方法很多，每種測(cè)量的方法其測(cè)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(shuō)來(lái)，材料硬度越高，在切削過(guò)程中對(duì)刀具的磨損越快，刀具的切削速度也較低。在切削加工時(shí)，切削溫度很高，此時(shí)材料的高溫硬度對(duì)切削性能應(yīng)到明顯的影響作用。

1.2.2 強(qiáng)度

此處敘述的強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度（σb）。表示材料極限承載能力，當(dāng)超過(guò)這一極限載荷時(shí)，材料某一部位變形量會(huì)突然增大而后斷裂或是直接斷裂。該參數(shù)對(duì)材料切削加工性能有明顯的影響。

另外，硬度和強(qiáng)度之間還有存在簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。關(guān)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(yàn)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(gè)非常重要的材料性能指標(biāo)。材料良好的塑性是壓力加工的基礎(chǔ)，在冷彎、沖壓、冷拔、冷軋過(guò)程中，金屬有較大的流動(dòng)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(lái)說(shuō)，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(huì)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(chǎn)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(qiáng)度相近的情況下，塑性高的材料在切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的切削力，較高的切削溫度，加劇刀具的磨損。容易 產(chǎn)生積屑瘤、切屑不易斷等現(xiàn)象。

1.2.4 韌性

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

在材料沖擊試驗(yàn)中，沖斷試樣所消耗的功Ak包括彈性擴(kuò)展功、塑性變形功、裂紋形成功和裂紋擴(kuò)展功，且無(wú)法彼此區(qū)分。所以沖擊韌性（αk）并不具備明確的物理意義。只能對(duì)材料的性能提供定性的、或是趨勢(shì)性的評(píng)估。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，人們積累了各種材料的沖擊韌性數(shù)據(jù)，并應(yīng)用到生產(chǎn)中。

1.3 材料的物理性能對(duì)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(shù)、導(dǎo)磁率、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)等等。本文討論的是材料切削加工性能，只對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)作一些分析

1.3.1 導(dǎo)熱系數(shù)

該物理量表證物體導(dǎo)熱能力的大小。導(dǎo)熱系數(shù)高的材料有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。

在切削加工過(guò)程當(dāng)中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。這些熱量大部分由切屑帶走，剩余熱量傳導(dǎo)給刀具、工件及散發(fā)至周?chē)h(huán)境中。如果材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，切屑帶走的熱量就相對(duì)較多，切屑溫度降低有利于延長(zhǎng)刀具使用壽命，減小工件的熱變形。

1.3.2 線膨脹系數(shù)

一般是指在外界溫度、壓力（主要指溫度）變化時(shí)，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(duì)工件的尺寸精度和切削過(guò)程有一定影響。

我廠作為一個(gè)慣性元器件的生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品零件尺寸精度較高。這一參數(shù)的大小在加工中對(duì)零件尺寸精度的影響也較大。所以在精加工時(shí)要注意溫度的控制，如保持加工環(huán)境溫度恒定，加工過(guò)程中要使用冷卻液，測(cè)量環(huán)境溫度與加工環(huán)境溫度保持一致。

2 結(jié)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(shí)際生產(chǎn)中，材料的切削性能還要相對(duì)刀具材料，刀具角度，工藝方法等等相關(guān)。上文中的參數(shù)對(duì)確定切削加工中其他的參數(shù)起到一個(gè)參考作用。而在對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析比較的同時(shí)，也要結(jié)合具體的加工方法，如在硬度一節(jié)中描述，硬度越高對(duì)刀具的磨損越嚴(yán)重，加工性能越差。但對(duì)于磨削加工來(lái)說(shuō)，硬度高卻并不影響其加工性能，反而是硬度過(guò)低，在加工過(guò)程中容易堵塞砂輪。因此，在制定加工工藝時(shí)，應(yīng)從材料本身特性出發(fā)，結(jié)合工藝方法、零件要求及加工環(huán)境，具體問(wèn)題具體分析，制定出一個(gè)合理、高效、低成本的工藝方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011