金屬材料的可加工性

曉昀

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金屬材料切削加工性的概念

金屬材料的切削加工性能通常是指金屬材料所具有的能明確地定義和度量為其可被切削加工難易程度標志的一種性能或品質。一般來說，良好的切削加工性應該是：刀具耐用度較好或在一定耐用度下切削速度較高、切削力較小、切削溫度較低、容易獲得較好的工件表面質量和切屑形狀容易控制或容易斷屑。

材料的切削加工性的概念具有相對性。所謂某種材料切削加工性好壞，是相對于另一種材料而言的。一般在討論鋼料的切削加工性時，習慣地以碳素結構鋼45為參考基準。如稱高強度鋼比較難加工，就是相對于45鋼而言的。

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刀具的切削性能與切削加工性的關系最為密切，不能脫離刀具的切削性能孤立地去討論被加工材料的切削加工性，而是應將兩者結合起來研究。在了解了工件材料的切削加工性并采取了有效措施之后，就能夠提高加工效率，保證加工質量，降低加工成本。

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評定工件材料的切削加工性的主要指標

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材料的切削加工性是指導某種材料進行切削加工性的難易程度，其易程度，一般與材料的化學成份，熱處理狀態﹑金相組織﹑物理力學性能以及切削條件有關。工件材料的切削加工性，通常用下面的一個或數個指標衡量：

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1、以刀具壽命來衡量

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在保證相同刀具耐用度的前提下，切削某種工件材料所允許的切削速度；

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2、以加工質量如表面光潔度來衡量

3、以單位切削力來衡量

4、以極限金屬切除率來衡量

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5、以斷屑性能，包括切屑形狀來衡量

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6 N; v7 P  f+ d3 j" ^影響金屬材料切削加工性的因素

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1.材料的強度和塑性

以工件材料的硬度（包括常溫硬度和高溫硬度）來說，一般情況下，同類材料中常溫硬度高的加工性低。因為材料硬度高時，切屑與前刀面的接觸長度減小，因此前刀面上切應力增大，摩擦熱量集中在較小的刀-屑接觸面上，促使切削溫度增高和磨損加劇，在硬度過高時甚至引起刀尖的燒損及崩刃。以鋼材為例，硬度適中的鋼材較好加工。此外，適當提高材料的硬度，有利于獲得較好的加工表面質量。材料的塑性通常以延伸率表示。一般，材料的塑性越大，越難加工。因為塑性大的材料，加工變形和硬化、刀具表面的冷焊現象都比較嚴重，不易斷屑，不易獲得好的已加工表面質量。

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2.材料的韌性

韌性以沖擊值表示。材料的韌性越高，則切削時消耗能量越多，切削力和切削溫度也都較高，且不易斷屑，故加工性較差。有些合金結構鋼不僅強度高于碳素結構鋼，沖擊值也較高，故較難加工。

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其他物理機械性能對切削加工性也有一定影響。如線膨脹系數大的材料，加工時熱脹冷縮，工件尺寸變化很大，故不易控制精度。彈性模量小的材料，在已加工表面形成過程中彈性恢復大，易與后刀面發生強烈摩擦。

某些材料的化學性質也在一定程度上影響切削加工性。如切削鎂合金時，粉末狀的碎屑易與氧化合而燃燒。切削鈦合金時，高溫下易從大氣中吸收氧、氮，形成硬而脆的化合物，使切屑成為短碎片，切削力和切削熱都集中在切削刃附近，從而加速了刀具的磨損。

3.材料的金相組織和熱處理方式

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金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業上應用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。

整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當的速度冷卻，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。

退火是將工件加熱到適當溫度，根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進行緩慢冷卻，目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細，常用于改善材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。

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淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其他無機鹽、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關系密切，常常配合使用，缺一不可。

“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝。為了獲得一定的強度和韌性，把淬火和高溫回火結合起來的工藝，稱為調質。某些合金淬火形成過飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間，以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理。

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把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結合起來進行，使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變熱處理；在負壓氣氛或真空中進行的熱處理稱為真空熱處理，它不僅能使工件不氧化，不脫碳，保持處理后工件表面光潔，提高工件的性能，還可以通入滲劑進行化學熱處理。

表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過多的熱量傳入工件內部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時或瞬時達到高溫。

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表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應電流、激光和電子束等。

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4.機械特性

不同的機床和機床不同的參數對金屬材料的切削加工性能也會有不同程度的影響。

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改善材料可切削性的途經

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1.改善材料的化學成份

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以常用金屬為例，在黃銅中加入1%～3%的鉛，在鋼中加入0.1%～0.25%的鉛。鉛可以球狀粒子存在于材料的金相組織中，切削時能起很好潤滑作用，減少摩擦，使刀具耐用度和表面質量得以提高。在碳鋼中加入MnS，它分布于珠光體中，起潤滑作用，使刀具耐用度和切切削后的表面質量提高，增大脆性，切屑易斷。

2.材料加工前進行合適的熱處理

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低碳鋼通過正火處理后，細化晶粒，硬度提高，塑性降低，有利于減小刀具的粘結磨損，減小積屑，改善工件表面粗糙度；高碳鋼球化退火后，硬度下降，可減小刀具磨損；不銹鋼以調質到HRC28為宜，硬度過低，塑性大，工件表面粗糙度差，硬度高則刀具易磨損；

白口鑄鐵可在950～1000℃范圍內長時間退火而成可鍛鑄鐵，切削就較容易。

3.選加工性好的材料狀態

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低碳鋼經冷拉后，塑性得以下降，加工性好；

鍛造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改為熱軋后加工性得以改善。

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4.其它

    采用合適的刀具材料，選擇合理的刀具幾何參數，合理地制訂切削用量與選用切削液等也能影響材料的切削加工性能。

本文整理于網絡和教材等。

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