特殊材料的车削加工方法

摘要：机械产品的不断升级，尤其是各种特殊难加工材料的使用，对金属切削刀具及技术提出了更高的要求，难加工材料在人类的各个领域应用越来越广泛。

关键词：特殊材料金属切削刀具及技术

随着近代机械制造技术的发展，要求提高材料的质量和持久强度更为重要。有些在高温、高速和高负荷下运转的机械设备，要求材料具有特殊的性能，能够抵抗空气、水蒸气、湿度和酸、碱、盐类等腐蚀作用，如不锈钢、高温合金、钛合金、铝合金、镁合金和铜合金等金属材料，以及橡胶制品、玻璃钢、有机玻璃等非金属材料。这些特殊的材料在车削加工中都很难加工。为此根据实际生产中的经验，总结了一套有效的加工方法。

1.不锈钢材料的车削

常用的不锈钢按化学成分可分为两类：一类是铬不锈钢（1Cr13、2Cr13等），另一类是铬镍不锈钢（如1Cr18Ni9Ti等）。它们都具有不锈、耐酸、耐热和良好的冲击韧性的特点。与普通碳钢相比，在抗拉强度相接近的条件下，不锈钢材料的延伸率、断面收缩率和冲击值都要高得多。而且不锈钢的每项机械物理性能的指标都同时偏高，其中只有热导率偏低，容易积聚热量从而使切削温度升高，因此形成了不锈钢难切削加工的特性。

（1）不锈钢的车削特点

不锈钢材料在车削时，由于其塑性高，韧性大，切屑黏附性强，热导率低，切削热容易积聚，在切削温度高达°C时，其力学性能仍不降低，综上所述，加工不锈钢时切削力大，温度高，断屑困难，严重粘刀，容易生刀瘤，影响加工表面质量，引起刀具磨损和崩刀等现象。由于不锈钢线膨胀系数大，高精度零件尺寸较难控制。这些都是加工不锈钢的困难因素。

（2）加工不锈钢的措施

1）选用合适的刀具材料，使它能适应不锈钢的切削而本身不易被磨损。

2）在车削实践中，寻求刀具合理的几何形状，使切屑容易变形，以减少切削力，排屑方便流畅。

3）不锈钢切削时应该适当降低切削用量，以减缓刀具的磨损，延长刀具使用寿命，降低生产成本。

4）选用适当的切削液。使用浓度10%~30%乳化液或10%硫化乳化液用于不锈钢的粗加工。也可将3%亚油酸钠+2%碳酸钠用少量热水混合，然后将1%N30机油+0.5%乙醇合于一起后用余量的水稀释成的切削液，在切削不锈钢时应用，以降低切削力、切削热和延长刀具寿命。

2.淬火钢的车削

淬火钢的组织主要是马氏体，硬度高、脆性大。一般碳钢和合金钢淬火硬度为50~60HRC，有的钢种如高速钢、轴承钢等，则可达到63~70HRC。这给车削带来很大困难，主要表现在两个方面：

1）单位车削力大。由于马氏体具有很高的硬度和抗拉强度，切削时抗力很大。

2）切削温度高、刀具磨损快。淬火以后，钢的热导率下降，故切削时温度高，进一步加剧刀具磨损。

3）淬火钢塑性较低，因此在切削过程中变形小，不易产生积屑瘤，比较容易获得小的表面粗糙度值。

（1）车削淬火钢刀具材料的选择

加工淬火钢的刀具材料，应当有较高的硬度、耐热性、耐磨性和一定的抗冲击性。能满足这些条件的刀具有很多，常用的有硬质合金（如YM、YM、等牌号）、陶瓷刀具、立方氮化硼。在这些材质的刀具中立方氮化硼刀具车削淬火钢耐用度最高的材料，其耐用度一般是硬质合金的数十倍，是陶瓷的几倍至十几倍，但立方氮化硼价格较贵，故在选用时应综合考虑经济效果。

（2）车削淬火钢切削用量的选择

由于淬火钢的硬度在一定温度下会下降，为取得较好的切削效果，切削速度应尽可能取高一些。但考虑切削力和其他条件，在使用硬质合金刀具时υ=10~50m/min;如用陶瓷或立方氮化硼刀具，则可取υ=10~50m/min或更高数值。值得注意的是，就刀具耐用度来说，并不是切削速度越高越好。对于一种工件材料，总有一个最佳切削速度值，能保证最高的刀具耐用度，因此，在确定切削速度之前应进行切削试验，以取得最佳数值。

3.冷硬铸铁、合金铸铁的车削

冷硬铸铁、合金铸铁也属于硬材料。它们的车削性能和淬火钢有相似之处，如材料硬度和强度较高，但也有不同之处，主要是脆性很大，而且毛坯多不规则。因此，车削冷硬铸铁、合金铸铁的刀具要特别注意提高耐冲击的能力。

(1)车削冷硬铸铁、合金铸铁刀具材料选择

1）硬质合金。适用于车削冷硬铸铁、合金铸铁的硬质合金牌号有YG8N、YN05、、等。

2）陶瓷。用复合陶瓷T1、AT6、AG2和氮化硅陶瓷都能对冷硬铸铁和合金铸铁进行车削，而且耐用度比硬质合金高。

3）立方氮化硼。用立方氮化硼车削冷硬铸铁、合金铸铁，可以用比硬质合金高数倍的切削速度，而且刀具耐用度也高数十倍。在大型工件加工中有很高的经济效益。

(2)车削冷硬铸铁、合金铸铁的切削条件选择。用立方氮化硼刀具车削冷硬铸铁、合金铸铁时，刀具应取负前角，主偏角可以稍大，切削速度则高一些为好。

具体应用是：前角取-6°，主偏角60°，切削速度取46m/min，背吃刀量取0.1mm或者前角取-10°，主偏角75°，切削速度取m/min，背吃刀量取0.5mm。

4.高强度钢的车削

高强度钢的室温强度及硬度很高，切削加工困难主要是由于高硬度马氏体剪切应力大，同时切屑与前刀面接触长度极短，切削温度高，刀尖处应力集中，易崩刀。

（1）车削高强度钢的刀具材料选择

车削高强度钢，用YD类、YN类和涂层硬质合金，刀具可以得到较高的耐用度。加工高强度钢用的硬质合金牌号还有、、、等。陶瓷刀片由于抗弯强度较差，易崩刃，不适于加工高强度钢。

（2）车削高强度钢的刀具几何参数选择

高强度钢的强度和硬度高，故刀具前角应取负值，一般取-5°~-10°。但在精加工时，应取3°~5°，目的是降低切削力，以提高刀具耐用度。刀具后角粗车时取大一些，取10°。在精加工时，因前角增大，故后角应减小些，以保持刀具耐用度。

在工艺系统刚度足够时，刀具主偏角应小一些，取30°~40°，这样可增加刀尖散热的刀尖圆弧，可加强刀尖强度。由于高强度钢断屑困难，在前刀面上要磨出断屑槽，或采取其他断屑措施。

5.钛合金车削

钛合金是一种密度小、强度高，并具有耐腐蚀和耐热等特性的金属材料。国产钛合金相应牌号为TA类、TB类和TC类。

（1）钛合金的车削特点

由于钛合金塑性低，钛的化学性质活泼，在高的切削温度下，容易与空气中的氧、氮等元素化合，使其塑性显著下降，脆性增加，切屑变形小。在车削加工时钛合金的导热性差，切削热集中在很小的区域内，故切削温度甚高。在不加冷却液的情况下可达到°C~°C。在车削的高温高压下，钛很容易和刀具材质中的碳、钛、钴等元素产生粘结，造成刀具的粘结磨损。

（2）车削钛合金的刀具材料选择

由于钛合金在车削时容易产生粘结磨损，故应选择与钛亲和力小的刀具材料，一般采用钨钴类硬质合金而不采用钨钴钛类硬质合金。采用立方氮化硼刀具切削钛合金也可取得较好的效果。

（3）车削钛合金刀具几何参数选择

为使切屑与前刀面接触长度增大，以提高刀具耐用度，在车削钛合金时，刀具角度参考以下值：前角取5°~15°，主偏角30°~45°，后角取10°~15°，刃倾角取-3°~-5°，刀尖圆弧取0.5~1mm。

总之，难加工材料零部件基本都具有高硬度、高强度、高韧性等特性，在实际加工中，应根据材料的特性，选择合适的切削三要素和刀具，才能将各方面的效率发挥最大化，为企业创造可观的经济利润。