工程塑料的切削加工

2024-09-08

工程塑料的切削加工（精选十篇）

工程塑料的切削加工篇1

塑料是以树脂为主体、加入填料和添加剂、在加热加压条件下制成的高分子有机材料。它的主要成分是: (1) 树脂:有机合成树脂占全部组成的40%-100%, 是塑料的基本成分, 也起粘结剂作用, 它决定了塑料的基本性能。 (2) 填料:也称作增强材料, 约占全部组成的20%-50%, 是用以改善塑料物理力学性能的重要成分。填料有:粉状 (木粉, 云母粉, 滑石粉) , 纤维状填料 (玻璃纤维, 亚麻, 线等) , 片状填料 (棉布, 麻布, 玻璃布等) 。以纤维作填料的塑料具有较高的强度。 (3) 添加剂:在塑料组成中虽占比重不大, 但必不可少。主要有:固化剂、增塑剂、润滑剂及着色剂等。

2 塑料的分类

2.1 按树脂性质可分为热塑料和冷塑料

(1) 热塑性塑料。加热时软化塑造成形, 冷却后变硬, 可反复进行这样的成形过程, 加工成形简单, 有较高的力学性能。缺点是耐热性和刚性较差。常用的有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯及聚酰胺 (尼龙) 、聚甲醛、聚苯醚等。

(2) 热固性塑料。初加热软化, 可塑造成形, 固化后加热不能再软化, 也不溶于溶剂, 有较高的耐热性和较好的力学性能。缺点是成形工艺较复杂成本高。常用的有酚醛塑料环氧塑料氨基塑料等。

2.2 按成形的方法可分为压塑料和层压塑料

(1) 压塑料。通常称胶木, 以热塑性树脂或热固性树脂及填料为基础配置成的粉状或纤维状半成品, 再由使用厂用压塑法制成各种形状不同的零件或型材。

(2) 层压塑料。是将片状填料如纸、棉花玻璃等在合成树脂中浸入后, 再通过层压法压制而成的塑料经机械加工后广泛用来制造各种零件。

3 工程塑料的切削加工特点

一般工程塑料均可在金属切削机床上加工。但与金属材料切削相比有很多特点。

(1) 切削力小, 导热性和耐热性差。塑料的强度和硬度不高, 故切削力比金属小得多, 通常可以选择较大的切削量, 但塑料的导热系数很小, 耐热性能差, 一般只能耐100℃～250℃切削温度, 因此又不允许选用较大的切削量, 以免使热固性塑料焦化, 热塑性塑料融化, “粘”刀加速刀具磨损。使用切削液可以降低切削温度, 但有些塑料又不允许使用切削液, 因为会影响塑料性能, 而用压缩空气冷却比较好。

(2) 组织不均匀有弹性, 加工尺寸精度差, 表面粗糙。当切削用量大时是成层填料顺切削速度方向倾斜, 刀具切削后回弹, 这样影响塑料件的尺寸精度和形位精度, 使得加工表面凹凸不平。钻孔时孔径偏小, 外圆车削时零件断面呈椭圆形, 铣削平面粗糙。若采用刃口锋利、后角较大的刀具, 以及较高的切削速度, 可提高尺寸精度。

(3) 具有磨料性和开裂性。很多种塑料, 如酚醛树脂塑料, 切削时对刀具有很强的磨削作用, 与其说刀具在切削, 不如说刀具在磨削, 切削刃很快被磨钝。切削困难程度依填料而异:玻璃织物填料最难加工, 矿物填料、棉布填料、纤维织物填料适中, 木粉填料最容易加工。

有些塑料还具有脆性, 切削时易引起开裂, 如钻孔时孔壁易产生“银丝”裂纹, 孔的出让处发生崩裂。开裂与夹紧力的大小及夹紧方式有关, 同时与刀具锋利程度也有关。很钝的刀具不是在切削而是在挤压, 零件易沿纤维方向开裂。开裂与进给量大小也有关, 当刀具刚接触或将离开的瞬间, 需减少进给量, 否则工件边缘就会崩掉一块。车削层压塑料零件的螺纹时, 必须用负刃倾角的螺纹车刀才能防止螺牙层层脱落。

(4) 填料条层 (或纤维) 方向影响表面质量。切削塑料正常有回弹性, 如图1、图2、图3、图4。

一般认为在顶向切削、横向切削、纵向切削、逆向切削和顺向切削中, 逆向切削表面质量较好, 切削时, 刀具前、后角宜取大值。

4 工程塑料切削加工实例

塑料种类很多, 有的呈脆性, 如酚醛塑料等热固性塑料。有的属塑性, 如尼龙、聚四氟乙烯等热塑性塑料。有的属压塑料, 有的是层压塑料, 加工特点各不相同, 加工时必须区别对待。

4.1 层压塑料

加工层压塑料所用车刀一般由YG8材料制造, 防止表面层开裂和剥落。

4.2 有机玻璃 (丙烯酸脂塑料板)

它是不含填料的热塑性塑料, 切削加工性较好, 通常速度vc=15-20m/min, f=0.15-0.25mm/r, ap=0.2-0.5mm。所用车刀如图5所示。用T8A、T10锉刀改制即可。

车削有机玻璃时, 应注意以下几点: (1) 刀刃要锋利, 防止工件变形和表面过于粗糙。 (2) 切削深度不宜过大, 防止碎裂。 (3) 进给量不宜过大, 防止挤压变形。 (4) 要防止温度过高产生变形和温度过低产生开裂。要使零件不变形和脆裂, 加工中可用压缩空气或少量冷却润滑液冷却。

4.3 压塑料 (电木)

电木通常以木粉为填料, 如酚醛电木组织不均, 脆性大, 切削时对刀具有磨料作用, 刀具材料应选耐磨性、导热性较好的硬质合金YG3、YG8。γ0=6°-12°, vc=100m/min左右, f≤0.3mm/r, ap=5mm。注意防止工件烧焦。

参考文献

[1]吴岳昆.金属切削原理与刀具[M].北京:机械工业出版社, 1966.

[2]莫开旺.机械制造工艺学[M].合肥:安徽科学技术出版社, 1989.

难加工材料的切削加工技术篇2

潘飞

（常州铁道高等职业技术学校机械工程系

江苏

常州

213011）

摘要：随着社会的不断发展，对材料的要求也越高，对切削加工也提出了更高的要求。本文针对这一问题，着重讲述切削难加工材料应考虑的几个方面。

关键词：难加工材料；切削加工

近年来，机械产品多功能、高功能化的发展势头十分强劲，要求零件必须实现小型化、微细化。为了满足这些要求，则所用材料必须具有高硬度、高韧性和高耐磨性，而具有这些特性的材料其加工难度也特别大，因此又出现了新的难加工材料。难加工材料就是这样随着时代的发展及专业领域的不同而出现，其特有的加工技术也随着时代及各专业领域的研究开发而不断向前发展。另一方面，随着信息化社会的到来，难加工材料切削技术信息也可通过因特网互相交流，因此，今后有关难加工材料切削加工的数据等信息将会更加充实，加工效率也必然会进一步提高。难加工材料的界定及具体品种，随时代及专业领域而各有不同。

一、切削领域中的难加工材料

在切削加工中，通常出现的刀具磨损包括如下两种形态：(1)由于机械作用而出现的磨损，如崩刃或磨粒磨损等；(2)由于热及化学作用而出现的磨损，如粘结、扩散、腐蚀等磨损，以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。切削难加工材料时，在很短时间内即出现上述刀具磨损，这是由于被加工材料中存在较多促使刀具磨损的因素。例如，多数难加工材料均具有热传导率较低的特点，切削时产生的热量很难扩散，致使刀具刃尖温度很高，切削刃受热影响极为明显。这种影响的结果会使刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降，WC(碳化钨)等粒子易于分离出去，从而加速了刀具磨损。另外，难加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高温条件下产生反应，出现成分析出、脱落，或生成其他化合物，这将加速形成崩刃等刀具磨损现象。在切削高硬度、高韧性被加工材料时，切削刃的温度很高，也会出现与切削难加工材料时类似的刀具磨损。如切削高硬度钢时，与切削一般钢材相比，切削力更大，刀具刚性不足将会引起崩刃等现象，使刀具寿命不稳定，而且会缩短刀具寿命，尤其是加工生成短切屑的工件材料时，会在切削刃附近产生月牙洼磨损，往往在短时间内即出现刀具破损。在切削超耐热合金时，由于材料的高温硬度很高，切削时的应力大量集中在刃尖处，这将导致切削刃产生塑性变形；同时，由于加工硬化而引起的边界磨损也比较严重。由于这些特点，所以要求用户在切削难加工材料时，必须慎重选择刀具品种和切削条件，以获得理想的加工效果。

二、难加工材料在切削加工中应注意的问题

切削加工大致分为车削、铣削及以中心齿为主的切削(钻头、立铣刀的端面切削等)，这些切削加工的切削热对刃尖的影响也各不相同。车削是一种连续切削，刃尖承受的切削力无明显变化，切削热连续作用于切削刃上；铣削则是一种间断切削，切削力是断续作用于刃尖，切削时将发生振动，刃尖所受的热影响，是切削时的加热和非切削时的冷却交替进行，总的受热量比车削时少。铣削时的切削热是一种断续加热现象，刀齿在非切削时即被冷却，这将有利于刀具寿命的延长。日本理化研究所对车削和铣削的刀具寿命作了对比试验，铣削所用刀具为球头立铣刀，车削为一般车刀，两者在相同的被加工材料和切削条件(由于切削方式不同，切削深度、进给量、切削速度等只能做到大体一致)及同一环境条件下进行切削对比试验，结果表明，铣削加工对延长刀具寿命更为有利。利用带有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的钻头、球头立铣刀等刀具进行切削时，经常出现靠近中心刃处工具寿命低下的情况，但仍比车削加工时强。在切削难加工材料时，切削刃受热影响较大，常常会降低刀具寿命，切削方式如为铣削，则刀具寿命会相对长一些。但难加工材料不能自始至终全部采用铣削加工，中间总会有需要进行车削或钻削加工的时候，因此，应针对不同切削方式，采取相应的技术措施，提高加工效率。

三、切削难加工材料用的刀具材料

立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)的高温硬度是现有刀具材料中最高的，最适合用于难加工材料的切削加工。新型涂层硬质合金是以超细晶粒合金作基体，选用高温硬度良好的涂层材料加以涂层处理，这种材料具有优异的耐磨性，也是可用于难加工材料切削的优良刀具材料之一。难加工材料中的钛、钛合金由于化学活性高，热传导率低，可选用金刚石刀具进行切削加工。CBN烧结体刀具适用于高硬度钢及铸铁等材料的切削加工，CBN成分含量越高，刀具寿命也越长，切削用量也可相应提高。据报道，目前已开发出不使用粘结剂的CBN烧结体。金刚石烧结体刀具适用于铝合金、纯铜等材料的切削加工。金刚石刀具刃口锋利，热传导率高，刃尖滞留的热量较少，可将积屑瘤等粘附物的发生控制在最低限度之内。在切削纯钛和钛合金时，选用单晶金刚石刀具切削比较稳定，可延长刀具寿命。涂层硬质合金刀具几乎适用于各种难加工材料的切削加工，但涂层的性能(单一涂层和复合涂层)差异很大，因此，应根据不同的加工对象，选用适宜的涂层刀具材料。据报道，最近已开发出金刚石涂层硬质合金和DLC(Diamond Like Carbon)涂层硬质合金，使涂层刀具的应用范围进一步扩大，并已可用于高速切削加工领域。

四、切削难加工材料的刀具形状

在切削难加工材料时，刀具形状的最佳化可充分发挥刀具材料的性能。选择与难加工材料特点相适应的前角、后角、切入角等刀具几何形状和对刃尖进行适当处理，对提高切削精度和延长刀具寿命有很大的影响，因此，在刀具形状方面决不能掉以轻心。但是，随着高速铣削技术的推广应用，近来已逐渐采用小切深以减轻刀齿负荷，采用逆铣并提高进给速度，因此，对切削刃形状的设计思路也有所改变。对难加工材料进行钻削加工时，增大钻尖角，进行十字形修磨，是降低扭矩和切削热的有效途径，它可将切削与切削面的接触面积控制在最小范围之内，这对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。钻头在钻孔加工时，切削热极易滞留在切削刃附近，而且排屑也很困难，在切削难加工材料时，这些问题更为突出，必须给以足够的关注。

为了便于排屑，通常在钻头切削刃后侧设有冷却液喷出口，可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等，使排屑变得更为顺畅，这种方式对切削刃的冷却效果也很理想。近年来，已开发出一些润滑性能良好的涂层物质，这些物质涂镀在钻头表面后，用其加工3～5D的浅孔时，可采用干式钻削方式。孔的精加工历来采用镗削方式，不过近来已逐渐由传统的连续切削方式改变为采用等高线切削这类间断切削方式，这种方式对提高排屑性能和延长工具寿命均更为有利。因此，这种间断切削用的镗削刀具设计出来后，立即被应用于汽车零件的CNC切削加工。在螺纹孔加工方面，目前也采用螺旋切削插补方式，切螺纹用的立铣刀已大量投放市场。如上所述，这种由原来连续切削向间断切削的转换，是随着对CNC切削理解的加深而进行的，这是一个渐进的过程。采用此种切削方式切削难加工材料时，可保持切削的平稳性，且有利于延长工具寿命。

五、难加工材料的切削条件

难加工材料的切削条件历来都设定得比较低，随着刀具性能的提高，高速高精度CNC机床的出现，以及高速铣削方式的引进等，目前，难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。现在，采用小切深以减轻刀具切削刃负荷，从而可提高切削速度和进给速度的加工方式，已成为切削难加工材料的最佳方式。当然，选择适应难加工材料特有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要，而且应力求刀具切削轨迹的最佳化。例如，钻削不锈钢等材料时，由于材料热传导率很低，因此，必须防止切削热大量滞留在切削刃上，为此应尽可能采用间断切削，以避免切削刃和切削面摩擦生热，这将有助于延长工具寿命和保证切削的稳定。用球头立铣刀对难加工材料进行粗加工时，工具形状和夹具应很好配合，这样可提高刀具切削部分的振摆精度和夹持刚性，以便在高速回转条件下，保证将每齿进给量提高到最大限度，同时也可延长工具寿命。

浅谈机械加工中切削加工及切削颤振篇3

【关键词】机械加工；切削加工；切削颤振

金属切削加工是机械加工业中基本、可靠的机械加工手段，在机械、电机、电子等各种现代产业部门中都起着重要的作用。工具的设计、制造和使用自古以来就很受重视,这里我们所说的工具,不仅仅指进行机械加工的机床,我们更关心的是直接进行切削加工的刀具。刀具是推动金属切削加工技术发展的一个极为活跃而又十分关键的因素,可以说切削加工技术发展、革新的历史就是刀具发展的历史。

一、切削加工的重要作用与刀具

机械制造的核心是零件的制作。制造机械零件的方法大致可分为成形制造和加工制造,成形制造包括铸造、锻造、焊接等工艺,一般用于毛坯的制造。近年来开发的精确成形或稱净成形工艺,如精铸、精锻等也可用于半成品和成品的制造。快速原型制造用于模型的制造,与其它技术相结合,也可用于制造金属零件。加工制造包括切削、磨削等常规工艺,也包括激光束加工、电子束加工、电化学加工等特种工艺。在所有这些方法中,切削加工至今仍然是并且在可以预见的将来仍将是零件制作的最基本的工艺技术之一。

刀具性能和质量直接影响到数百万台机床生产效率的高低和加工质量的好坏。直接影响到整个机械制造业的生产技术水平和经济效益。金属切削加工是用刀具从工件表面切除多余的金属材料,从而获得在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度及表面质量等方面均符合要求的零件的一种加工方法。其核心问题是刀具切削部分与工件表层的相互作用,即刀具的切削作用和工件的反切削作用。这是切削加工中的主要矛盾,而刀具的切削作用则是矛盾的主要方面。从近年来工具行业的发展看,切削刀具在生产活动中的作用正越来越受到企业的重视。随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展,高速切削和超高速切削已成为当前切削技术的重要发展趋向,这就要求刀具的可靠性高,切削性能好,能稳定地断屑和卷屑,精度高,并能快换或自动更换等。因此,对刀具材料、刀具结构以及刀具的装夹都提出了更高的要求。

二、切削颤振产生与危害

在生产实践中,一般来说机床的振动是不希望产生的。这是因为振动所产生的噪声能刺激操作工人引起疲劳,降低工作效率.并且它又能使机床零件过早出现疲劳破坏,从而使零件的安全程度、可靠性和强度下降,机床的振动还会导致被加工工件的精度降低,刀具寿命和生产率下降。在机床上面发生的自激振动类型较多,例如回转主轴(或与工件联系、或与刀具联系)系统的扭转或者弯曲自激振动;机床床身、立柱、横梁等支撑件的弯曲或扭摆自激振动;切屑形成的周期性引起的颤振和整台机床的摇晃。此外还有机床工作台等移动部件在低速运行时所发生的张弛摩擦自激振动(通称爬行)等等。通常把金属切削过程中表现在刀具与工件间强烈的相对振动的这种自激振动称为“颤振”。切削过程中形成不连续切削的周期与工件、刀架或者机床的传动机构中的任一部分振动的固有周期相同,是产生颤振的主要原因之一。

切削颤振由切削过程中所产生的动态周期性力激发而引起,并能维持其振动不衰减。机械加工中的颤振是影响机械产品加工质量和机床切削效率的关键技术问题之一。切削颤振叠加在剥离多余金属必需的工作运动如切削、进给及切入运动上,并影响刀具乃至机床的使用寿命。为减小颤振所带来的不良影响,加工中被迫临时改变切削用量,如降低切削深度等。而这却妨碍充分利用机床额定功率,导致加工工时,即制造成本上升,延误工期。颤振问题在投资庞大的现代化数控机床上尤为值得关注,因为这类机床的经济性建立在其时间和功效方面的高度利用上。长期以来,机械制造业中的噪声污染相当突出,大大超过国家环保标准。刺耳的噪声是工件—刀具系统强烈切削颤振的结果,它降低了产品的表面质量,降低了生产效率和刀具、设备寿命,增加了材料和能源消耗。同时会诱发长期在这种环境下工作的人们的心血管等系统疾病,严重危害人们的身心健康。

三、切削颤振理论与减小切削颤振的措施

1、再生颤振理论

目前,对切削颤振形成的物理原因,主要依据三种理论进行解释:再生颤振是由于上一次切削所形成的振纹与本次切削的振动位移之间的相位差异导致刀具切削厚度的不同而引起的颤振。

2、振型耦合理论

在某些完全不存在再生颤振条件的切削状态下,如在切削螺纹时,后一转的切削表面与前一转的切削表面完全没有重叠,但也经常发生颤振。由于这时刀尖与工作面的相对轨迹是一个近似椭圆,颤振同时产生在两个方向。人们由此得出结论:当振动系统在两个方向上的刚度相接近时,两个固有振型相耦合,因而引起颤振,进而提出在设计机床时应考虑如何配备机床各部件在不同方向的刚度。

研究切削颤振现象及其控制理论的意义在于:可使人们更加深入地认识切削颤振的物理本质,从而发展控制理论及相关技术,促进机械工程的发展。其实践意义则在于:采用切削颤振的控制技术及手段,可大大减轻甚至消除切削颤振及其所带来的各种不良影响,极大地改善人们的工作环境,提高工作效率,减少切削能源的消耗,提高刀具和设备的使用寿命,并将产生直接或间接的经济效益和社会效益。

众所周知,将主轴转速、进给量、切削宽度以及刀具角度等切削参数适当调整,即可抑制颤振的发生。其中最为突出的是改变主轴转速的变速切削,对颤振的抑制效果显著。因为机床整体结构的复杂性,控制颤振的理想手段应该可以从其局部部件着手,包括对机床床身、立柱等基础部件的改进,以提高机床的抗震性能;也可以对机床的刀具结构进行必要的改进。新型切断刀的设计思想是建立在增大阻尼的基础之上,利用颤振理论结合刀具结构设计,解决切削加工中的颤振问题。

参考文献

[1]于友林.控制及降低机械切削加工温度的主要方法.职业，2005-10-15.

[2]詹莲凤.绿色切削加工评价体系的研究.机械制造与自动化， 2007-06-20.

（作者单位：1.沈阳机床股份有限公司中捷立家事业部

2.沈阳机床设计研究院有限公司）

浅谈工程塑料的工艺性能与切削加工篇4

1 工程塑料的一般工艺性能

1.1 吸湿性

塑料的吸湿性是指其吸湿或黏附水分的性能。将塑料按照其对水分的亲疏程度来分类，可分为两类;具有明显的吸湿或黏附水分倾向的塑料，如有机玻璃、ABS等;基本不吸湿也不黏附水分的塑料，如聚乙烯、聚氯乙烯等。水分的存在对吸湿性塑料的成形有很大影响;当塑化温度高于100℃时，水分将汽化，从而导致制品内产生气泡，外观出现水迹，制品强度也因此而降低;有些塑料在高温下会发生水解反应，从而影响制品的外观质量，降低机械强度;或者因树脂起泡、强度下降而使成形过程变得困难。因而，在对吸湿性塑料进行成形加工前，必须进行干燥处理，将其含水量控制在允许的范围内。

1.2 流动性

塑料的流动性指在一定的温度和压力的作用下，能够充满模腔各个部分的性能。塑料的流动性不好，充型就差，所需施加的成形压力就大。例如，流动性差的塑料在注射成形时就难以充满模腔，需施加的注射压力也较大;但流动性过大会导致注射成形时的“溢边”现象，对制品产生挤压而使之变形。因此，在成形过程中，必须适当地控制塑料的流动性。塑料的流动性受以下因素的影响：树脂分子的大小与结构，填料增塑剂和润滑剂。具有线型分子结构、没有或很少有交联结构的树脂的流动性最好。加大净料，会使塑料的流动性变差，加入增塑剂和润滑剂，可以提高塑料的流动性。

1.3 结晶性

塑料的结晶性是指结晶型塑料具有结晶现象的性质。结晶型塑料 (如聚乙烯、聚甲醛等) 是相对于无定型塑料 (如有机玻璃、ABS等) 而言的。塑料的结晶性常用其结晶度的大小来表征，它是确定塑料成形工艺条件时必须考虑的因素之一。结晶型塑料成形时，如果湿度高、熔融体的冷却速度慢、制品的结晶度大，则其密度大、硬度高、刚性好、抗拉和抗弯等性能好、耐磨性及耐腐性等均能提高;反之，如果熔融体的冷却速度快，制品的结晶度小，则可使其获得较好的柔软性、透明性、较高的伸长率和冲击强度等性能。

1.4 热敏性

有些塑料，如聚氯乙烯、聚甲醛等，对热较为敏感。当将其较长时间置于较高温度下时，就会发生分解、变色等现象。塑料的这种性质称为热酸性。为了避免出现这类缺陷，在对热敏性塑料进行成形加工时，必须正确控制温度和受热时间，恰当选用加工设备，或在塑料配方中加入稳定剂。

1.5 收缩性

塑料在成形及冷却过程中发生体积收缩现象的性质称为收缩性。塑料的收缩性不仅取决于塑料的品种，还与其成形方法、工艺条件、添加剂的种类与数量、制品厚度、是否有金屑嵌件等因素密切相关。

2 塑料的切削加工

由于塑料零件的形状和用途不同，所用的切削方法也不同，因而有切断、车削、铣削、冲切、钻削、磨削、螺纹加工和齿轮加工等方法。无论用任何一种刀具进行切削，其基本形式乃是车刀，因为任何一种刀具的切削部分均是由车刀组成或车刀演变而来的。塑料制品在一次成形后，有些只需切除其浇口和毛边即可，有些则还需进行切削加工和其他方法加工。

2.1 工程塑料切削加工的特点

一般工程塑料均可在金属切削机床上加工。但与金属材料切削相比有很多不同。塑料切削时，切削功率一般较金属切削时采用的功率小 (因为其强度和硬度低) 。塑料切削时，宜采用大前角、大后角的刀具，并保持刀刃锋利。加工时，夹紧力不能过大，特别是锤孔时更要注意。宜控制切削速度，以防止切削温度太高。但是，有时为了提高表面质量，也采用较高的切削速度进行切削。为防止切削温度太高，加工时常采用风冷或水冷等方式进行冷却。性质较脆或易产生内应力的塑料，在进行机械加工时，其切入和切出操作都必须缓慢，最好采用手动走刀，以防崩裂。加工一般塑料可采用碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金等刀具。加工玻璃钢制品多采用单晶和多晶金刚石刀具。凡是切削金属材料的工艺方法，均可用于塑料的加工，如车、铣、刨、钻、镗、锯等。

2.2 塑料的切削加工

塑料的切削过程是通过切削运动，使刀具从工件上切除多余的塑料层，形成切屑和已加工表面的过程。塑料切屑的形成过程，是受切削刀具挤压而成，工件材料的变形服从虎克定律。因此，塑料的切削过程是挤压过程。切削性能越好，产生连续切屑的范围越大，表面粗糙度值越小，精度越高;越小的单位切削力产生的切削热越小，刀具寿命越长。

塑料的已加工表面质量是塑料制品使用性能的重要方面。所谓加工表面质量，是指塑料零件在加工后的表面层状态，它不可能是理想的光滑表面，总是存在一定的微观几何形状偏差。表层材料在加工时受切削力、切削热的影响，也会使原有的物理机械性能发生变化。要想加工出较高表面质量的塑料工件，对切屑的形态、刀具的形状、切削条件、塑料的机械性能、温度的变化和塑料的热性能等因素必须加以考虑，它们在加工中都起着很重要的作用。

参考文献

[1]康文利, 范孝良.工程塑料的切削性能研究[J].工具技术, 2003 (10) .

面向高速切削加工的数控编程技术篇5

面向高速切削加工的数控编程技术

分析高速切削加工所具有的特殊性及优点,并说明高速切削对数控编程方法的`限制.针对传统编程方法,提出了满足高速切削加工的刀位轨迹特殊处理关键技术,并对其实现方法进行了较详尽的论述.同时,对高速切削数控编程中刀具载荷分析与速率优化、毛坯残留量自动分析等新技术的实现方法也进行了探讨.

作者：孟月梅 Meng Yuemei 作者单位：北京航空制造工程研究所刊名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：2007“”(z1)分类号：V2关键词：高速切削数控编程刀位轨迹载荷分析

微量润滑对切削加工残余应力的影响篇6

关键词：微量润滑；绿色加工；加工残余应力；加工质量；切削机理

中图分类号：TG506文献标识码：A

在传统切削加工中，为了提高加工质量、延长刀具使用寿命，往往需要使用大量润滑液。传统润滑液含有许多复杂化学成分，排放时对环境造成很大的负面影响，被认为是环境污染的重要因素之一，因此世界主要工业国家对润滑液的排放制订了严格的环保标准，并大力发展绿色加工技术以代替传统润滑切削。微量润滑技术（minimal quantity lubrication，MQL）指将压缩气体与极微量润滑液混合汽化后，形成微米级的液滴，喷射到切削区进行有效润滑的一种切削加工方法。它的润滑液使用量仅为传统润滑方式的1%，环保效果等同于（准）干切削，但它的加工综合效果优于传统润滑方式＼[1＼]，因此被认为是最具有推广前途的绿色加工技术，在学术界和工程界都得到了高度重视。

作为一种全新的切削润滑技术，国内外学者从装备设计、润滑冷却机理、环保效果、加工质量各方面对MQL进行了大量研究＼[2-4＼]。在工件加工表面质量方面，研究多数集中在MQL对加工表面粗糙度的影响效果上，多位学者＼[5-9＼]研究了不同材料在MQL条件下车、铣、钻和磨的加工表面质量，认为MQL加工表面粗糙度和传统润滑切削几乎等同，在一些条件恶劣的切削中，甚至要好于传统切削，这些研究让人们对MQL的加工表面粗糙度有较全面的认识。加工表面质量另一个重要指标是切削残余应力，它对工件使用性能、疲劳强度和耐腐蚀性有着重要影响＼[10-13＼]。文献[14]研究了在干切削、湿式切削以及MQL条件下，切削参数对AISI316L steel材料加工表面残余应力的影响；Pusavec等＼[15＼] 则在镍基合金的深冷切削工件表面完整性的研究中，发现MQL易形成拉压型残余应力。但有关系统阐述MQL切削表面残余应力分布及作用机理的研究文献很少，无法对MQL切削残余应力规律形成全面的认识，因此需要对此问题进行更深入研究。

本研究针对上述问题进行了MQL车削加工残余应力的实验研究。在干切削、风冷切削、湿式切削和MQL条件下对常用金属材料45钢、40Cr（淬硬）

钢、40Cr（退火）钢和304不锈钢进行车削，然后通过试样的残余应力、切削力和切削温度的结果，利用加工残余应力形成的热力耦合理论，分析不同润滑方式残余应力差异的原因，最后得出MQL影响切削残余应力分布的规律及机理。研究结果有助于全面了解MQL加工机理，同时为在绿色制造工艺过程中调整和控制工件切削残余应力、提高工件加工质量提供一定的实验依据，具有一定的工程意义。

湖南大学学报（自然科学版）2015年

第10期贺爱东等：微量润滑对切削加工残余应力的影响

1实验

1。1实验设置

实验加工工艺为车削，机床为CA6140（见图1）。试样材料为45钢、40Cr（淬硬）钢（表面淬硬后进行残余应力消除处理）、40Cr（退火）钢和304不锈钢，力学性能见表1。试样直径40 mm，总长300 mm。所有实验均采用相同的切削参数和刀具几何参数，仅改变润滑条件。切削参数为：主切削速度vc =2 m/s，进给速度f=0。1 mm/s，切削深度ap=0。2 mm。刀具为TiAlN涂层硬质合金车刀，几何参数见表2。每一种材料分别在干切削、（室温）风冷切削，（传统）湿式切削和（常温）MQL条件下车削，实验所用润滑液均为安默琳公司的MIRCOLUBE1000-20型植物油基环保润滑液。

图1实验现场

Fig。1Test site

表1试样力学性能

Tab。1Mechanical properties of sample

材料

弹性模量

E /GPa

线膨胀系

数a/10-6

热处理

状态

硬度

/HRC

抗拉强度

σb/MPa

屈服强度

σs/MPa

45钢

210

14。6

600

360

40Cr（淬硬）钢

221

13。7

表面淬火/回火

980

807

40Cr（退火）钢

221

13。7

退火

435

283

304不锈钢

193

17。3

523

206

表2刀具几何参数

Tab。2Tool geometry

主偏角

κr/（°）

副偏角

κr′/（°）

刃倾角

λs/（°）

前角

γo/（°）

后角

αo/（°）

刀尖圆弧

半径r /mm

刃口钝圆

半径r /mm

0。15

0。1

MQL压缩气体压强为0。6 MPa；润滑液采用脉冲微量供液，脉冲频率为20 Hz；采用外部喷液方式，喷管处于刀具的前刀面，和机床主轴方向成45°，喷管口离刀尖距离为20 mm。

试样加工状态平稳时，通过自然热电耦测温系统测量切削温度T；通过瑞士Kistler公司9263型车削测力系统测量切削力（包括切向切削力Fz，径向切削力Fy和轴向切削力Fx）。

1。2残余应力测量

车削实验完成后，对加工后的试样采用硝酸导电腐蚀法，将采样点表层材料逐层剥离后，用PROTO-LXRD型X射线衍射仪测量试样采样点的轴向残余应力σx和切向残余应力σy。残余应力值以正值代表拉应力，以负值代表压应力。

2结果和讨论

试样的切削温度如图2所示，干切削的切削温度从高到低依次是：40Cr（淬硬）钢、304不锈钢、45钢和40Cr（退火）钢。风冷对降低切削温度有一定的效果，但效果不明显，仅有几十度降幅，这是因为风（空气）的比热容较低，吸收带走的热量不多。湿式切削和MQL的冷却效果则比风冷要显著，在切削40Cr（淬硬）钢和304不锈钢试样时，切削温度降低的幅度达250～310 ℃；在切削45钢和40Cr（退火）钢时，温度降幅也有150～180 ℃。它们的冷却机理首先是通过润滑作用，降低刀具和工件及切屑的摩擦，减少切削热的产生；另外，湿式切削还通过润滑液带走了大量热量，MQL则通过微液滴的大面积挥发来吸收热量。湿式切削冷却效果是最强的；但在同切削参数条件下，湿式切削的切削温度和MQL接近，说明两者冷却能力相差不大。

试样3个方向的切削力如图3所示。风冷切削和干切削的切削力差别很小，如果考虑测量误差，可以认为风冷对切削力几乎没有影响。湿式切削和MQL在各个方向都降低了切削力大小，但所有切削力降幅都不是很大。湿式切削和MQL对切削力的影响因材料和方向不同而不一样，但在相同条件下，二者差别并不显著。影响切削力大小因素是多方面的，如刀具和试样及切屑的挤压、破裂、冲击和摩擦，还有材料性能、刀具几何角度、切削参数、切削温度及积屑瘤等因素。由于湿式切削和MQL相对干切削来说，只是改变了其中少数几个因素（如摩擦、切削温度），因此无法对切削力产生大的影响，切削力变化有限。风冷切削中，除了对切削温度有较小的影响外，对其他因素也几乎没有作用，所以对切削力的影响也就可以忽略不计。

图2切削温度

Fig。2Cutting temperature

试样切削残余应力如图4-图7所示。不同材料干切削的残余应力性质并不一样， 45钢和40Cr（退火）钢获得了拉压混合的切削残余应力，而40Cr（淬硬）钢和304不锈钢则获得残余拉应力。最大残余拉应力从大到小的试样顺序是：304不锈钢、40Cr（淬硬）钢、45钢和40Cr（退火）钢。切削残余应力是工件加工表面的机械效应和热效应的耦合结果，40Cr（淬硬）钢和304不锈钢属于难加工材料，切削温度高，不但容易获得残余拉应力，而且其最大的残余拉应力值也比45钢和40Cr（退火）钢明显要大。40Cr（淬硬）钢的残余应力层厚度是所有试样中最小的，这和40Cr（淬硬）钢的硬度高导致加工硬化层较薄有关。

相同切削条件下，各种润滑方式的切削残余应力和干切削对比，其差异可以认为是由于润滑方式影响残余应力所致。风冷切削在各个试样轴向和切向的残余应力和干切削都很接近，说明其对残余应力产生的影响很小。MQL和湿式切削的残余应力和干切削差别就非常明显，而且二者的残余应力曲线非常接近，说明MQL对残余应力的影响和湿式切削类似。总体来看，MQL对残余应力的影响趋势是降低拉应力、增大压应力；其中在40Cr（淬硬）钢轴向和304不锈钢轴向及径向上，MQL和湿式切削甚至还导致了加工表面下方产生残余压应力。

（a）切向切削力Fz

（b）径向切削力Fy

（c）轴向切削力Fx

图3切削力

Fig。3Cutting force

试样轴向残余应力σx和切向残余应力σy大小并不相同，40Cr（淬硬）还出现了轴向为拉压混合应力，切向为拉应力的试样。原因在于残余应力是热力耦合而成，当热效应大于机械效应时，形成拉应力；当机械效应大于热效应时，形成压应力。在试样同一采样点上，热效应是各向同性的，但机械效应由于受刀具运动方向的影响，为各向异性，这导致了最终形成的残余应力也是各向异性，即不同方向有不同的大小或不同性质的残余应力；同时，这也可能使润滑方式对同一点残余应力的影响因方向不同而存在差异。残余应力实验结果也显示，对于所有试样，MQL对轴向和切向的残余应力虽然影响趋势相同，但影响的幅度不一样。

切削力和切削温度是试样加工表面机械效应和热效应的间接表现，实验结果显示，风冷对于机械效应和热效应的影响都很小，它对切削残余应力的影响也就很小。而MQL和湿式切削对切削力和切削温度都有较大的作用效果，使它们的切削残余应力和干切削明显不一样。残余应力形成的热力耦合理论及实验切削温度和切削力的结果显示，由于MQL和湿式切削的切削温度的减少幅度要大于切削力，试样表面受拉趋势的减少要大于受压趋势的减少，所以残余应力状态为降低拉应力和增大压应力，甚至出现了拉应力向压应力转变的试样。

实验结果也验证了切削残余应力和工件材料物理性能有很大关系，MQL对残余应力影响也因工件材料及热处理状态不同而不同。实验中，MQL对残余应力影响大小顺序是：304不锈钢、40Cr（淬硬）钢、40Cr（退火）钢和45钢。40Cr（淬硬）钢由于材料硬度（强度）最高，切削耗能大，切削热最多，工件表面热效应明显，容易产生残余拉应力。不锈钢的硬度（强度）虽然不高，但材料韧性最大，同时材料热传导性最差，切削摩擦发热明显，而且切削热集中在工件表面，容易形成较大的热效应，也产生了残余拉应力。在MQL的冷却作用下，这两种材料切削温度降低明显，导致了拉应力大幅度减小和压应力的出现。40Cr（退火）钢和45钢则属于易切削金属，强度低、传热快，工件表面热效应不突出，因此干切削的残余应力状态是拉压混合分布，而且在同样的MQL作用下，最大残余拉应力减小幅度低于前两种材料，最大残余压应力增加幅度也较小。所以MQL对韧性和强度大的材料的切削残余应力影响较大，即对难加工材料残余应力的影响要大于普通碳钢。

残余应力分布状态除了应力性质和大小外，还包括一些位置特征值，如最大拉应力位置、最大压应力位置和应力层厚度。实验发现，润滑方式改变了残余应力大小或性质的同时，对上述位置特征值的影响却很小。具体体现为所有最大残余拉应力不受润滑方式影响，都处于试样最外表面；最大压应力位置和应力层厚度也没有因润滑方式不同而发生变化；或者只发生很小的变化，没有使残余应力分布状态发生明显改变。其中冷风切削的残余应力特征值和干切削的接近，湿式切削的残余应力则和MQL的接近。整体而言，即使考虑了测试仪器以及材料逐层剥离的误差，也可以认为润滑方式对特征位置几乎没有影响。

MQL对切削温度影响大、对切削力影响小的实验结果，以及MQL对残余应力大小影响大、对特征位置影响很小的特性都表明：MQL对切削热效应的影响要明显大于对机械效应的影响，MQL影响切削残余应力主要是通过抑制热效应来形成的。

（a）轴向残余应力σx

（b）切向残余应力σy

图445钢切削残余应力

Fig。4 Machined residual stress of 45 steel

（a）轴向残余应力σx

（b）切向残余应力σy

图540Cr（淬硬）钢切削残余应力

Fig。5Machined residual stress of 40Cr（harden） steel

（a）轴向残余应力σx

（b）切向残余应力σy

图640Cr（退火）钢切削残余应力

Fig。6 Machined residual stress of 40Cr（annealed） steel

（a）轴向残余应力σx

（b）切向残余应σy

图7304不锈钢切削残余应力

Fig。7Machined residual stress of 304 stainless steel

MQL在切削中的主要作用是冷却和润滑。根据上述分析，冷却在残余应力变化中起了主导作用，如果能进一步提高MQL冷却性能，就可以在更大程度上降低工件残余拉应力，或者形成更大的残余压应力，从而获得较好的残余应力分布。如果MQL冷却性能足够好，理论上可以形成纯压应力类型的残余应力，这对提高工件疲劳强度是非常有利的。

MQL润滑性能对切削残余应力的影响是双向的，一方面润滑可以降低摩擦，减小机械效应，减小加工表面受压趋势；但另一方面摩擦的降低又减少切削热的产生，抑制热效应，降低了加工表面受拉的趋势。由于最终残余应力的大小及性质都是这两方面共同作用的结果，所以MQL润滑性能对残余应力分布的影响比较复杂，需要作进一步的研究。

3结论

1）MQL对切削残余应力的影响和湿式切削接近，影响程度要大于风冷切削。MQL有降低切削残余拉应力的作用，某些情况下还会导致产生压应力，但对残余应力分布的位置特征值影响很小。MQL对轴向和切向残余应力的影响趋势相同。

2）MQL对切削残余应力的影响因工件材料和热处理状态而不同，对韧性和强度大的材料影响较为明显，对难切削材料的影响要大于普通碳钢。

3）MQL对热效应的抑制是影响切削残余应力的主要机理；MQL通过机械效应对切削残余应力产生的影响较小。

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难加工材料的切削加工研究篇7

关键词：难加工材料,切削加工性,刀具材料

0 引言

近年来,随着社会的发展难加工材料的应用越来越广泛,但是其切削加工仍然是一个难题。如何高效地加工这些难加工材料一直困扰着工程技术人员,既要保证加工效率和加工质量,又要控制加工成本。要切削难加工材料,必须了解其切削加工性,掌握切削规律,寻求切削措施,这是难加工材料切削加工中的重要课题。本文将主要对几种典型难加工材料的特性和切削时对刀具材料的选择以及刀具几何参数方面的选用原则进行分析,以期对难加工材料的切削加工有一定的帮助和指导作用。由于车削在难加工材料的切削加工中所占比重较大,因此本文中的切削加工都是指车削。

1 难加工材料的分类及其切削加工性

难加工材料种类繁多,分类方法也很多,按照材料的种类可分为:不锈钢、钛合金、高强度与超高强度钢、高锰钢、高温合金、冷硬铸铁、喷焊(涂)材料及淬硬钢等金属材料,此外,还有石材、工程陶瓷、工程塑料和复合材料等许多非金属材料。

切削加工性是指工件材料切削加工的难易程度。材料的切削加工性是一个相对的概念,因为它不仅和材料本身有关,而且随切削加工条件和加工要求等的不同而异,因此生产中常用相对切削性来衡量。难加工材料之所以难以加工就是因为其相对切削性太差,如高硬度和高强度、高塑性和高韧性、低导热性、低塑性、高脆性、化学性能过于活泼等特点造成切削过程中切削力大、切削温度高、切屑难于控制、加工硬化严重和刀具耐用度低,这是难加工材料切削加工中的一般特点。由于各种材料的成份和性能各异,切削加工性也不同,只有掌握它们的特殊性,才能研究出相应的工艺方法来解决切削加工中的各种问题。

2 难加工材料切削时刀具的选用原则

金属的切削加工其本质是被切削金属层在刀具切削刃和前刀面的作用下,经受挤压而产生剪切滑移变形的过程。刀具材料的切削性能对切削加工技术水平影响极大,金属切削的生产率、成本和质量在很大程度上取决于刀具材料的合理选择。在金属切削中刀具起主导作用,而刀具几何参数和切削用量都以刀具材料的性能为依据,尤其在难加工材料的切削加工中,优选刀具材料往往是工艺人员的首要任务。根据难加工材料切削的特点,选择刀具材料应优先考虑以下性能:①高的硬度和耐磨性;②高的耐热性;③足够的强度和韧性。考虑到难加工材料切削的特殊性,选择刀具材料时还必须考虑到以下几个问题:①要避免因刀具材料和工件材料之间某些元素的亲和作用致使刀具磨损加剧;②根据刀具材料、工件材料和其他切削条件选择最佳切削速度,即在此切削速度下切削时刀具磨损量最小,耐用度最高,切削路程最长;③各种刀具材料的优越性只有在相应的速度范围内才能充分显示出来,比如,陶瓷和立方氮化硼刀具切削时要求切削速度高,如果在较低的速度下切削,其耐用度并不比高速钢刀具好,因此要确定所选择刀具适应的切削速度范围。

3 典型难加工材料的切削加工

3.1 不锈钢的切削

不锈钢因具有耐腐蚀性能及在较高温度(>450o)下具有较高强度而在机械制造、航空、航天、石油、化工及人们的日常生活中得到了广泛的应用。不锈钢的切削加工性较差,其加工性约是45钢的一半,切削时须选用红硬性高、抗弯强度高、耐磨、导热性好、抗粘结、抗扩散和抗氧化磨损性好的刀具材料,常选用YG类及含Ta(Nb)C的YG类硬质合金。粗车时可选用YG8或者YC6,若用YG8N和813硬质合金,能大大地提高刀具耐用度;在连续切削条件下的高速精车或半精车宜选用YT5、YTl5、798、YWl和YW2等硬质合金。

切削不锈钢时,应在保证切削刃强度的前提下尽量选用较大前角以利断屑,通常前角γ0取值如下:粗车时γ0=10o~15o;半精车时γ0=15o~20o;精车时γ0=20o~30o。后角α0应取较大值,以减小后刀面与加工表面间的摩擦,一般粗车时α0=4o~6o;半精车及精车时α0=6o~10o。其他几何参数的选择如下:主偏角kr=45o~75o;副偏角kr′=10o~15o;刀尖圆弧半径rε常取0.5 mm;刃倾角λs=-3o~-8o,精车时一般可以取正值。

切削不锈钢时还有个值得注意的问题就是断屑槽,由于切削奥氏体类不锈钢时断屑特别困难,可将切削部分刃磨成全弧型的卷屑槽,以达到断屑的目的。

3.2 钛合金的切削

钛合金具有比强度高、耐热性好、耐蚀性好等优良的力学和物理性能,因此在航空、航天、造船、石油、冶金、化工等工业中得到了广泛的应用,但钛合金本身化学活性大、导热系数小、弹性模量小等特点使得钛合金很难切削。切削钛合金时宜选用与钛化学亲和作用小、导热系数高、强度大、晶粒度小的钨钴类硬质合金作刀具材料,以不含或少含TiC的硬质合金为宜,如YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643M、YS2、YD15、YG10H等牌号。若用金刚石和立方氮化硼切削钛合金效果更好,因刀具导热性高、抗粘结、刀刃锋利。

由于钛合金塑性小,刀—屑接触长度短,切削时应选较小前角,硬质合金车刀的前角γ0一般取5o;由于钛合金弹性模量小,为避免因回弹造成的摩擦,后角应取较大值,一般取α0=10o~15o;主偏角kr≤45o;副偏角kr′一般取15o;rε不宜过大,一般0.5 mm≤rε≤1.5 mm,此外rε应小于切深ap的一半。

进行切削前应采用金刚石砂轮精磨车刀前、后刃面,且要防止有裂纹和任何细小的缺口,因车刀切削刃的细小缺口会导致崩刃、粘屑,从而使刀具耐用度大大降低。

3.3 淬硬钢的切削

淬硬钢属于高硬度难加工材料,在生产中常被用作耐磨材料。淬硬钢的切削加工性差、强度高、硬度高、脆性大、导热性差,因此给切削加工造成很大困难。切削淬硬钢时宜选用红硬性高、耐磨、导热性好的刀具,可以用硬质合金、陶瓷和立方氮化硼作为刀具材料。用硬质合金时,一般以含TaC(NbC)的K类和M类硬质合金为好,可选用600、610、767、726、712、YW1、YW2、YN05、YT05等牌号。由于陶瓷刀具耐磨、耐热性好,切削时不仅可以提高刀具耐用度,还可在更高的切削速度范围内切削,从而提高生产率,这是硬质合金刀具所不能比拟的。

因淬硬钢的硬度和强度都很高,为加强刃口强度必须选择负前角,且负值不能太大,以免使切削力显著增大,应在保证刃口强度的前提下选择最小负前角,一般γ0=-5o~-10o;为减少刀具磨损,后角值可以稍大些,一般α0=8o~15o;机床刚度好时kr=20o~45o,刚度不好时kr=45o~60o;副偏角一般取kr′=5o~15o;λs=-5o~-15o;rε一般取0.5 mm,在不产生振动条件下其值可适当加大。

3.4 高强度钢的切削

高强度钢是指那些强度和硬度都很高,具有一定合金含量的结构钢,常用作机器中的关键承载部件,如发动机的曲轴、重要的齿轮、连杆和花键轴等。高强度钢的切削加工性差主要是由于其高的室温强度和硬度,钢中合金元素的含量和成分也对其加工性有很大影响,切削用的刀具材料应具有很高的硬度和很好的耐磨性。由于高强度钢属铁基金属,不能采用金刚石刀具,其他的先进刀具材料都能用来切削高强度钢,推荐使用新型硬质合金(如添加钽、铌或稀土元素的P类合金,TiC基合金,P类涂层合金)和Al2O3基陶瓷作为刀具材料。

由于高强度钢的硬度和强度高,须加强刀具的切削刃和刀尖部分。刀具前角应适当减小,一般取γ0=-5o~10o,被加工材料强度高时取小值;后角半精加工时取α0=8o~10o,精加工时取α0=10o~12o;其他几何参数的选取原则和切削一般钢料时相同。切削高强度钢时还应在刀具前面磨出断屑台,以利断屑,断屑台的宽度一般为(3~4)f(f为每转进给量),高度为0.6 mm~0.8 mm,根部圆弧半径为0.8 mm~1 mm。

3.5 热喷焊(涂)材料的切削

喷焊与喷涂是一种对零件进行表面处理、防护和修复的新工艺,能显著提高零件的耐磨、耐热、耐腐蚀等性能,已经广泛应用于航空、航天、汽车、造船、石油等工业中。热喷焊(涂)材料是一种新兴的难加工材料,具有硬度高、耐磨性好等特点,给加工带来很大困难。切削用的刀具材料不仅要有高的耐磨性,还要有较高的抗弯强度,可选用添加TaC(NbC)的超细晶粒硬质合金、陶瓷和立方氮化硼刀具进行切削。硬质合金刀具选用YD05、610、726、643M、YG10H、YD15、YM051、YM053等牌号较好;陶瓷刀具可选用SG4、SG5、LT35、LT55等牌号;用立方氮化硼刀具切削热喷焊(涂)层能取得很好的切削效果,其加工效率和刀具寿命等均优于其他刀具。

切削热喷焊(涂)层时,刀具几何参数是围绕增强切削刃强度和刀尖的散热能力以及刀具耐用度等要求来确定的。前角值的选取应随被切削材料硬度的提高而适当减小,当材料硬度较高时,应取γ0=-5o~-10o,当选γ0=0o或正值时需磨出负倒棱;粗车时γ0≤-5o,精车时一般取γ0=0o~8o。其他几何参数的选择如下:α0=8o~12o;λs=0o~-5o;kr=10o~30o;kr′=10o~15o;rε=0.3 mm~1 mm。

4 结语

切削难加工材料时,刀具的材料及其几何参数的合理选择至关重要。虽然难加工材料的种类繁多,但是切削时都是在合理选择刀具材料和刀具几何参数的基础上进行切削用量的优化和加工方式的选择,因此本文对典型难加工材料切削加工的分析研究对其他难加工材料的切削也有一定的借鉴意义。随着社会的发展和科技的进步,必将涌现出更多新型的性能优良的刀具材料,也会出现更多有效的加工方法,难加工材料的切削效率和加工质量将大大提高。

参考文献

[1]韩荣第,于启勋.难加工材料切削加工[M].北京:机械工业出版社,1996.

[2]李企芳.难加工材料的加工技术[M].北京:科学技术出版社,1992.

谈切削加工中的难加工材料切削技术篇8

在切削加工中, 通常出现的刀具磨损包括如下两种形态:a.由于机械作用而出现的磨损, 如崩刃或磨粒磨损等;b.由于热及化学作用而出现的磨损, 如粘结、扩散、腐蚀等磨损, 以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。

切削难加工材料时, 在很短时间内即出现上述刀具磨损, 这是由于被加工材料中存在较多促使刀具磨损的因素。例如, 多数难加工材料均具有热传导率较低的特点, 切削时产生的热量很难扩散, 致使刀具刃尖温度很高, 切削刃受热影响极为明显。这种影响的结果会使刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降, WC (碳化钨) 等粒子易于分离出去, 从而加速了刀具磨损。另外, 难加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高温条件下产生反应, 出现成分析出、脱落, 或生成其他化合物, 这将加速形成崩刃等刀具磨损现象。

在切削高硬度、高韧性被加工材料时, 切削刃的温度很高, 也会出现与切削难加工材料时类似的刀具磨损。如切削高硬度钢时, 与切削一般钢材相比, 切削力更大, 刀具刚性不足将会引起崩刃等现象, 使刀具寿命不稳定, 而且会缩短刀具寿命, 尤其是加工生成短切屑的工件材料时, 会在切削刃附近产生月牙洼磨损, 往往在短时间内即出现刀具破损。

在切削超耐热合金时, 由于材料的高温硬度很高, 切削时的应力大量集中在刃尖处, 这将导致切削刃产生塑性变形;同时, 由于加工硬化而引起的边界磨损也比较严重。

由于这些特点, 所以要求用户在切削难加工材料时, 必须慎重选择刀具品种和切削条件, 以获得理想的加工效果。

2 难加工材料在切削加工中应注意的问题。

切削加工大致分为车削、铣削及以中心齿为主的切削 (钻头、立铣刀的端面切削等) , 这些切削加工的切削热对刃尖的影响也各不相同。车削是一种连续切削, 刃尖承受的切削力无明显变化, 切削热连续作用于切削刃上;铣削则是一种间断切削, 切削力是断续作用于刃尖, 切削时将发生振动, 刃尖所受的热影响, 是切削时的加热和非切削时的冷却交替进行, 总的受热量比车削时少。

铣削时的切削热是一种断续加热现象, 刀齿在非切削时即被冷却, 这将有利于刀具寿命的延长。日本理化研究所对车削和铣削的刀具寿命作了对比试验, 铣削所用刀具为球头立铣刀, 车削为一般车刀, 两者在相同的被加工材料和切削条件 (由于切削方式不同, 切削深度、进给量、切削速度等只能做到大体一致) 及同一环境条件下进行切削对比试验, 结果表明, 铣削加工对延长刀具寿命更为有利。

利用带有中心刃 (即切削速度=0m/min的部位) 的钻头、球头立铣刀等刀具进行切削时, 经常出现靠近中心刃处工具寿命低下的情况, 但仍比车削加工时强。

在切削难加工材料时, 切削刃受热影响较大, 常常会降低刀具寿命, 切削方式如为铣削, 则刀具寿命会相对长一些。但难加工材料不能自始至终全部采用铣削加工, 中间总会有需要进行车削或钻削加工的时候, 因此, 应针对不同切削方式, 采取相应的技术措施, 提高加工效率。

3 切削难加工材料用的刀具材料。

CBN的高温硬度是现有刀具材料中最高的, 最适合用于难加工材料的切削加工。新型涂层硬质合金是以超细晶粒合金作基体, 选用高温硬度良好的涂层材料加以涂层处理, 这种材料具有优异的耐磨性, 也是可用于难加工材料切削的优良刀具材料之一。

难加工材料中的钛、钛合金由于化学活性高, 热传导率低, 可选用金刚石刀具进行切削加工。CBN烧结体刀具适用于高硬度钢及铸铁等材料的切削加工, CBN成分含量越高, 刀具寿命也越长, 切削用量也可相应提高。据报道, 目前已开发出不使用粘结剂的CBN烧结体。

金刚石烧结体刀具适用于铝合金、纯铜等材料的切削加工。金刚石刀具刃口锋利, 热传导率高, 刃尖滞留的热量较少, 可将积屑瘤等粘附物的发生控制在最低限度之内。在切削纯钛和钛合金时, 选用单晶金刚石刀具切削比较稳定, 可延长刀具寿命。

涂层硬质合金刀具几乎适用于各种难加工材料的切削加工, 但涂层的性能 (单一涂层和复合涂层) 差异很大, 因此, 应根据不同的加工对象, 选用适宜的涂层刀具材料。据报道, 最近已开发出金刚石涂层硬质合金和DLC (Diamond Like Carbon) 涂层硬质合金, 使涂层刀具的应用范围进一步扩大, 并已可用于高速切削加工领域。

4 切削难加工材料的刀具形状。

在切削难加工材料时, 刀具形状的最佳化可充分发挥刀具材料的性能。选择与难加工材料特点相适应的前角、后角、切入角等刀具几何形状和对刃尖进行适当处理, 对提高切削精度和延长刀具寿命有很大的影响, 因此, 在刀具形状方面决不能掉以轻心。但是, 随着高速铣削技术的推广应用, 近来已逐渐采用小切深以减轻刀齿负荷, 采用逆铣并提高进给速度, 因此, 对切削刃形状的设计思路也有所改变。

对难加工材料进行钻削加工时, 增大钻尖角, 进行十字形修磨, 是降低扭矩和切削热的有效途径, 它可将切削与切削面的接触面积控制在最小范围之内, 这对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。钻头在钻孔加工时, 切削热极易滞留在切削刃附近, 而且排屑也很困难, 在切削难加工材料时, 这些问题更为突出, 必须给以足够的关注。

为了便于排屑, 通常在钻头切削刃后侧设有冷却液喷出口, 可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等, 使排屑变得更为顺畅, 这种方式对切削刃的冷却效果也很理想。近年来, 已开发出一些润滑性能良好的涂层物质, 这些物质涂镀在钻头表面后, 用其加工3~5D的浅孔时, 可采用干式钻削方式。

孔的精加工历来采用镗削方式, 不过近来已逐渐由传统的连续切削方式改变为采用等高线切削这类间断切削方式, 这种方式对提高排屑性能和延长工具寿命均更为有利。因此, 这种间断切削用的镗削刀具设计出来后, 立即被应用于汽车零件的CNC切削加工。在螺纹孔加工方面, 目前也采用螺旋切削插补方式, 切螺纹用的立铣刀已大量投放市场。

如上所述, 这种由原来连续切削向间断切削的转换, 是随着对CNC切削理解的加深而进行的, 这是一个渐进的过程。采用此种切削方式切削难加工材料时, 可保持切削的平稳性, 且有利于延长工具寿命。

5 难加工材料的切削条件。

难加工材料的切削条件历来都设定得比较低, 随着刀具性能的提高, 高速高精度CNC机床的出现, 以及高速铣削方式的引进等, 目前, 难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。

现在, 采用小切深以减轻刀具切削刃负荷, 从而可提高切削速度和进给速度的加工方式, 已成为切削难加工材料的最佳方式。当然, 选择适应难加工材料特有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要, 而且应力求刀具切削轨迹的最佳化。例如, 钻削不锈钢等材料时, 由于材料热传导率很低, 因此, 必须防止切削热大量滞留在切削刃上, 为此应尽可能采用间断切削, 以避免切削刃和切削面摩擦生热, 这将有助于延长工具寿命和保证切削的稳定。用球头立铣刀对难加工材料进行粗加工时, 工具形状和夹具应很好配合, 这样可提高刀具切削部分的振摆精度和夹持刚性, 以便在高速回转条件下, 保证将每齿进给量提高到最大限度, 同时也可延长工具寿命。

结束语。如前所述, 难加工材料的最佳切削方法是不断发展的, 新的难加工材料不断出现, 对新材料的加工总是不断困扰着工程技术人员。最近, 新型加工中心、切削工具、夹具及CNC切削等技术发展非常迅速, 而且在切削加工之外, CNC磨削、CNC电加工等技术也得到空前的发展, 难加工材料的加工技术选择范围已大为扩展。

当然, 有关难加工材料加工信息的收集与对该技术的深入理解, 还不能尽如人意, 正因为如此, 而对难加工材料的不断涌现, 人们总是感到加工技术有些力不从心。

今后, 难加工材料零件的加工将采取CAD/CAM、CNC切削加工等计算机控制的生产方式, 因此, 数据库的建构、工具设计与制作等工具管理系统的完善, 都极为重要。难加工材料切削加工中, 适用的刀具、夹具、工序安排、工具轨迹的确定等有关切削条件的数据, 均应作为基础数据加以积累, 使零件生产方式沿着以IT化为基础的方向发展, 这样, 难加工材料的切削加工技术才能较快地步入一个新的阶段。

责任编辑:温雪梅

摘要：简要论述切削加工中的难加工材料的切削技术。

工程塑料的切削加工篇9

1.1具有很强的加工硬化趋势, 极易磨损刀具

大部分不锈钢材料 (马氏体类不锈钢例外) 具有很强的加工硬化趋势, 同时, 因为加工硬化层具有很高的硬度 (通常高于原有硬度2倍左右, 表面硬度HV能够达到400-570kg/mm2) 。不同的切削条件与不锈钢工件材料, 会让加工硬化层深度从数十μm一直深入到数百μm (通常为100μm-200μm) 。

1.2切屑不易折断或者卷曲

切削过程中切屑不易卷曲和折断。特别是镗孔、钻孔、切断等工序的切削过程中, 排屑困难, 切屑易划伤已加工表面。在数控机床上切削不锈钢时, 断屑与排屑是重点考虑的问题。

1.3切屑具有很强的粘附性, 极易造成刀瘤

不锈钢材料具有很高的韧性, 尤其是对其它金属材料具有较强的亲和力, 加工过程非常容易造成刀瘤。

1.4 “三高” (高温度、高硬度、高强度) 不易分离切屑

不锈钢的特性之一就是高温度、高硬度、高强度。例如温度维持在700°C的奥氏体类不锈钢的机械性能仍不会显著降低。

2合理选用加工刀具

合理选用加工刀具是进行不锈钢材料加工的重要先决条件。不锈钢加工刀具的必须具有以下特点:较高的强度、硬度、韧性、耐磨性以及较低的不锈钢亲和力。

常用的刀具材料有硬质合金和高速钢两大类, 形状复杂的刀具主要采用高速钢材料。由于高速钢切削不锈钢时的切削速度不能太高, 因此影响生产效率的提高。对于车刀类较简单的刀具, 刀具材料应选用强度高、导热性好的硬质合金, 因其硬度、耐磨性等性能优于高速钢。常用的硬质合金材料有:钨钴类 (YG3、YG6、YG8、YG3X、YG6X) , 钨钴钛类 (YT30、YT15、YT14、YT5) , 通用类 (YW1、YW2) 。YG类硬质合金的韧性和导热性较好, 不易与切屑粘结, 因此适用于不锈钢粗车加工;而YW类硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化性能以及韧性都较好, 适合于不锈钢的精车加工。加工1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢时, 不宜选用YT类硬质合金, 由于不锈钢中的Ti和YT类硬质合金中的Ti产生亲合作用, 切屑容易把合金中的Ti带走, 促使刀具磨损加剧。

3合理选择刀具几何角度

合理选择刀具几何角度非常重要, 其切削部分的几何角度直接影响着不锈钢工件进行切削加工时的切削力、表面粗糙度、加工硬化趋势、生产率、刀具耐用程度等诸多方面。合理选择刀具几何角度不仅可以提高工件的加工质量和加工效还可以显著降低加工成本 (如降低刀具的更换频率和废品率等) 。

3.1合理选择前角

进行不锈钢切削时, 应该在不降低刀具强度的前提之下, 适当提高前角。刀具前角的适当提高会降低刀具的塑性变形能力、切削热以及切削力, 加工硬化的趋势也会随之减轻, 相应地, 刀具耐用度便会显著提高。综合看来, 通常情况下刀具前角保持在12°-20°为最佳, 具体角度根据实际需要来调整。

3.2合理选择后角

在弹性与塑性两方面均高于常规碳素钢的不锈钢, 进行切削时, 如果刀具后角过小, 会增加车刀后角与切断表面的接触面积, 此时, 摩擦高温区集中于车刀后角部位, 刀具的磨损会显著加快, 并且工件的表面光洁度会显著降低。因此, 进行不锈钢工件切削时, 车刀后角应该大于车削普通碳钢时的角度, 但是不可以过大, 因为过大的后角会导致刀刃强度地急剧下降, 刀具的耐用度得不到保证。所以, 刀具后角保持在6°-10°之间为最佳。

3.3刃倾角

由于采用较大的前角, 刀尖强度会有所削弱。为增强刀尖强度而又不使背向分力增加过大, 刃倾角宜取较小数值, 一般为-5°至 -15°, 连续切削时取较大值, 断续切削时取较小值。

4合理选择切削用量

合理选择切削用量直接影响着不锈钢加工的效率与质量, 所以, 在合理确定刀具类型和刀具几何角度之后, 必须要科学合理地确定切削用量。

合理选择切削用量时应该注意以下几个问题:首先, 不同的不锈钢毛坯具有不同的硬度, 应该根据实际情况来选择切削用量;其次, 合理选择切削用量, 同时需要考量刀具材料、刀具刃磨条件以及焊接质量等因素;再次, 除了以上两点, 合理选择切削用量需要认真考量零件的直径、车床精度以及加工余量问题。

Inconel600的切削加工篇10

高温合金指的是一类在650℃～800℃以上仍然具有良好的的力学性能,化学性能以及一定的工艺性能的合金。高温合金中最常用有铁基高温合金,镍基高温合金以及钴基高温合金。因为镍基高温合金的高温强度最高,所以在高温合金领域应用最为广泛。

Inconel600是一种典型的镍基固溶强化型高温合金。镍含量大于50%,热强性高,最高温度已达1100℃,优良的耐高温腐蚀和抗氧化能力,切削加工性能很差,适合于制作在1100℃以下工作的低载荷零部件,例如,航空发动机的燃烧室以及加力燃烧室等耐高温零部件。

Inconel600的化学成份和物理力学性能如表1所示。

1 Inconel600的切削加工难点

镍基高温合金Inconel600是一种极难切削的金属材料。它的切削加工难度主要表现在以下几方面:

1)切削力很大。Inconel600的延伸率大,塑性变形抗力大,抗断裂韧性和持久塑性高,加工硬化非常严重,热强性极高,所以切削力一般为加工钢材的两倍。

2)切削温度很高。切削Inconel600时,切削力很大,切削变形很严重,切屑,工件与刀具之间存在着强烈的摩擦,继而产生了大量的热,而材料本身热导率低,所以这就导致了切削区域的温度很高。

3)刀具磨损严重。切削该材料时,切削力大,切削温度高,使得刀具材料的硬度,强度,化学稳定性下降,刀具材料的磨粒磨损,粘结磨损,扩散磨损,氧化磨损都很严重,刀具寿命很低。加工该材料时,更换刀具的次数比更换零件的次数多得多,刀具寿命太低,是影响生产实际的最大因素。

4)加工硬化极其严重。由于该材料的软化温度高,强化系数大,在切削过程中产生塑性变形的同时,也产生了强烈的加工硬化,已加工表面的硬化程度甚至可以达到基体材料的两倍以上。

5)切屑难以折断。由于材料本身的塑性,韧性大,使得产生的带状切屑很难折断,这样既不安全,又影响生产任务的顺利进行,是影响生产率提高的因素之一。

6)该材料切削中容易粘刀,影响切削过程的进行。

7)加工精度难以保证。切削该材料过程中切削温度很高,工件产生的热变形很大,一些尺寸精度和形状精度很难保证。

8)加工效率低,加工成本大。在找不到与之相匹配的刀具材料的前提下,往往使用普通刀具材料,例如硬质合金,高速钢等。在生产实际中,由于此类刀具寿命极低,而使用“刀海战术”,也就是更换刀具或刃磨刀具的次数远远大于更换零件的次数,加工效率很低。一方面机床占用时间长,另一方面刀具损耗大,使得加工成本急剧增加,有时甚至无法完成生产任务。

注:1.化学成份数据来源于GB/T14992-2005;2.力学性能为20℃时检测到的最小值

2 加工Inconel600时,各种切削要素的合理选择

2.1 刀具材料的合理选择

一般的高速钢和硬质合金刀具材料并不能满足要求,因为在加工Inconel600时,既要求刀具的刀刃非常锋利,又要保证足够的刀刃强度。在生产实际中,常常选用细晶粒硬质合金+TiC-TiN或TiC-Al2O3-TiN复合涂层刀具,例如山特维克可乐满的VNGP160408 S05F刀片,M05刀片,氮化硅基陶瓷刀具,例如,Si3N4赛阿龙陶瓷刀具RNGN120700KY2100,PCBN聚晶立方氮化硼刀具,例如,钻石牌YCB011数控刀片。SiC晶须增韧陶瓷,CBN立方氮化硼刀具等。

2.2 切削用量的合理选择

切削速度对刀具的寿命影响最大,切削速度越高,刀具寿命越低,为了保证一定的刀具寿命,切削速度不宜过高,一般在20m/min～80 m/min内选取。

进给量对刀具寿命也有一定的影响,但是对已加工表面的表面粗糙度影响最大,为了获取较低的表面粗糙度,一般进给量不能取太大,常在0.1mm/r～0.3mm/r内选取。

背吃刀量对刀具寿命的影响最小,但背吃刀量不能太小,太小会在工件材料的硬化层上切削,刀具磨损严重,也不能太大了,太大会引起机床的负载增加。常在0.3mm～5mm内选取。

2.3 刀具几何参数的合理选择

前角对刀具寿命的影响不大,但是前角太小,不利于排屑,前角太大,会削弱刀刃的强度,所以一般前角选取为3º～10º。

后角对刀具寿命的影响很小,一般选取为8º～15º。

刃倾角一般选取0º～4º。刃口倒棱宽取0.2～0.4mm。倒棱刃前角一般取0º～-5º。

如果是立铣刀,螺旋角一般选择为28º～35º。

2.4 切削液的合理选择

高速切削时,可以使用水溶液或乳化液,能快速冷却切削区域。低速切削时,最好使用氯化切削油,能起到良好的润滑效果,也可以用硫化切削油,但是必须在加工后用氰化钠溶剂清洗硫染色。液氮,高压水射流冷却液等也都能取得良好的冷却效果,但是成本比较高,目前大规模生产很少使用。

参考文献