制造工程与技术机加工Word文档格式.docx

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《制造工程与技术（机加工）》（英文版）

《ManufacturingEngineeringandTechnology—Machining》

机械工业出版社2004年3月第1版

美s.卡尔帕基安（Seropekalpakjian）

s.r施密德（StevenR.Schmid）著

译文：

20.9可机加工性

一种材料的可机加工性通常以四种因素的方式定义：

1、分的表面光洁性和表面完整性。

2、刀具的寿命。

3、切削力和功率的需求。

4、切屑控制。

以这种方式，好的可机加工性指的是好的表面光洁性和完整性，长的刀具寿命，低的切削力和功率需求。

关于切屑控制，细长的卷曲切屑，如果没有被切割成小片，以在切屑区变的混乱，缠在一起的方式能够严重的介入剪切工序。

因为剪切工序的复杂属性，所以很难建立定量地释义材料的可机加工性的关系。

在制造厂里，刀具寿命和表面粗糙度通常被认为是可机加工性中最重要的因素。

尽管已不再大量的被使用，近乎准确的机加工率在以下的例子中能够被看到。

20.9.1钢的可机加工性

因为钢是最重要的工程材料之一（正如第5章所示），所以他们的可机加工性已经被广泛地研究过。

通过宗教铅和硫磺，钢的可机加工性已经大大地提高了。

从而得到了所谓的易切削钢。

二次硫化钢和二次磷化钢硫在钢中形成硫化锰夹杂物（第二相粒子），这些夹杂物在第一剪切区引起应力。

其结果是使切屑容易断开而变小，从而改善了可加工性。

这些夹杂物的大小、形状、分布和集中程度显著的影响可加工性。

化学元素如碲和硒，其化学性质与硫类似，在二次硫化钢中起夹杂物改性作用。

钢中的磷有两个主要的影响。

它加强铁素体，增加硬度。

越硬的钢，形成更好的切屑形成和表面光洁性。

需要注意的是软钢不适合用于有积屑瘤形成和很差的表面光洁性的机器。

第二个影响是增加的硬度引起短切屑而不是不断的细长的切屑的形成，因此提高可加工性。

含铅的钢钢中高含量的铅在硫化锰夹杂物尖端析出。

在非二次硫化钢中，铅呈细小而分散的颗粒。

铅在铁、铜、铝和它们的合金中是不能溶解的。

因为它的低抗剪强度。

因此，铅充当固体润滑剂并且在切削时，被涂在刀具和切屑的接口处。

这一特性已经被在机加工铅钢时，在切屑的刀具面表面有高浓度的铅的存在所证实。

当温度足够高时—例如，在高的切削速度和进刀速度下—铅在刀具前直接熔化，并且充当液体润滑剂。

除了这个作用，铅降低第一剪切区中的剪应力，减小切削力和功率消耗。

铅能用于各种钢号，例如10XX，11XX，12XX，41XX等等。

铅钢被第二和第三数码中的字母L所识别（例如，10L45）。

（需要注意的是在不锈钢中，字母L的相同用法指的是低碳，提高它们的耐蚀性的条件）。

然而，因为铅是有名的毒素和污染物，因此在钢的使用中存在着严重的环境隐患（在钢产品中每年大约有4500吨的铅消耗）。

结果，对于估算钢中含铅量的使用存在一个持续的趋势。

铋和锡现正作为钢中的铅最可能的替代物而被人们所研究。

脱氧钙钢一个重要的发展是脱氧钙钢，在脱氧钙钢中矽酸钙盐中的氧化物片的形成。

这些片状，依次减小第二剪切区中的力量，降低刀具和切屑接口处的摩擦和磨损。

温度也相应地降低。

结果，这些钢产生更小的月牙洼磨损，特别是在高切削速度时更是如此。

不锈钢奥氏体钢通常很难机加工。

振动能成为一个问题，需要有高硬度的机床。

然而，铁素体不锈钢有很好的可机加工性。

马氏体钢易磨蚀，易于形成积屑瘤，并且要求刀具材料有高的热硬度和耐月牙洼磨损性。

经沉淀硬化的不锈钢强度高、磨蚀性强，因此要求刀具材料硬而耐磨。

钢中其它元素在可机加工性方面的影响钢中铝和矽的存在总是有害的，因为这些元素结合氧会生成氧化铝和矽酸盐，而氧化铝和矽酸盐硬且具有磨蚀性。

这些化合物增加刀具磨损，降低可机加工性。

因此生产和使用净化钢非常必要。

根据它们的构成，碳和锰钢在钢的可机加工性方面有不同的影响。

低碳素钢（少于0.15%的碳）通过形成一个积屑瘤能生成很差的表面光洁性。

尽管铸钢的可机加工性和锻钢的大致相同，但铸钢具有更大的磨蚀性。

刀具和模具钢很难用于机加工，他们通常再煅烧后再机加工。

大多数钢的可机加工性在冷加工后都有所提高，冷加工能使材料变硬并且减少积屑瘤的形成。

其它合金元素，例如镍、铬、钳和钒，能提高钢的特性，减小可机加工性。

硼的影响可以忽视。

气态元素比如氢和氮在钢的特性方面能有特别的有害影响。

氧已经被证明了在硫化锰夹杂物的纵横比方面有很强的影响。

越高的含氧量，就产生越低的纵横比和越高的可机加工性。

选择各种元素以改善可加工性，我们应该考虑到这些元素对已加工零件在使用中的性能和强度的不利影响。

例如，当温度升高时，铝会使钢变脆（液体—金属脆化，热脆化，见，尽管其在室温下对力学性能没有影响。

因为硫化铁的构成，硫能严重的减少钢的热加工性，除非有足够的锰来防止这种结构的形成。

在室温下，二次磷化钢的机械性能依赖于变形的硫化锰夹杂物的定位（各向异性）。

二次磷化钢具有更小的延展性，被单独生成来提高机加工性。

20.9.2其它不同金属的机加工性

尽管越软的品种易于生成积屑瘤，但铝通常很容易被机加工，导致了很差的表面光洁性。

高的切削速度，高的前角和高的后角都被推荐了。

有高含量的矽的锻铝合金铸铝合金也许具有磨蚀性，它们要求更硬的刀具材料。

尺寸公差控制也许在机加工铝时会成为一个问题，因为它有膨胀的高导热系数和相对低的弹性模数。

铍和铸铁相同。

因为它更具磨蚀性和毒性，尽管它要求在可控人工环境下进行机加工。

灰铸铁普遍地可加工，但也有磨蚀性。

铸造无中的游离碳化物降低它们的可机加工性，引起刀具切屑或裂口。

它需要具有强韧性的工具。

具有坚硬的刀具材料的球墨铸铁和韧性铁是可加工的。

钴基合金有磨蚀性且高度加工硬化的。

它们要求尖的且具有耐蚀性的刀具材料并且有低的走刀和速度。

尽管铸铜合金很容易机加工，但因为锻铜的积屑瘤形成因而锻铜很难机加工。

黄铜很容易机加工，特别是有添加的铅更容易。

青铜比黄铜更难机加工。

镁很容易机加工，镁既有很好的表面光洁性和长久的刀具寿命。

然而，因为高的氧化速度和火种的危险（这种元素易燃），因此我们应该特别小心使用它。

钳易拉长且加工硬化，因此它生成很差的表面光洁性。

尖的刀具是很必要的。

镍基合金加工硬化，具有磨蚀性，且在高温下非常坚硬。

它的可机加工性和不锈钢相同。

钽非常的加工硬化，具有可延性且柔软。

它生成很差的表面光洁性且刀具磨损非常大。

钛和它的合金导热性（的确，是所有金属中最低的），因此引起明显的温度升高和积屑瘤。

它们是难机加工的。

钨易脆，坚硬，且具有磨蚀性，因此尽管它的性能在高温下能大大提高，但它的机加工性仍很低。

锆有很好的机加工性。

然而，因为有爆炸和火种的危险性，它要求有一个冷却性质好的切削液。

20.9.3各种材料的机加工性

石墨具有磨蚀性。

它要求硬的、尖的，具有耐蚀性的刀具。

塑性塑料通常有低的导热性，低的弹性模数和低的软化温度。

因此，机加工热塑性塑料要求有正前角的刀具（以此降低切削力），还要求有大的后角，小的切削和走刀深的，相对高的速度和工件的正确支承。

刀具应该很尖。

切削区的外部冷却也许很必要，以此来防止切屑变的有黏性且粘在刀具上。

有了空气流，汽雾或水溶性油，通常就能实现冷却。

在机加工时，残余应力也许能生成并发展。

为了解除这些力，已机加工的部分要在

（

）的温度范围内冷却一段时间，然而慢慢地无变化地冷却到室温。

热固性塑料易脆，并且在切削时对热梯度很敏感。

它的机加工性和热塑性塑料的相同。

因为纤维的存在，加强塑料具有磨蚀性，且很难机加工。

纤维的撕裂、拉出和边界分层是非常严重的问题。

它们能导致构成要素的承载能力大大下降。

而且，这些材料的机加工要求对加工残片仔细切除，以此来避免接触和吸进纤维。

随着纳米陶瓷（见，例如塑性切削（见，陶瓷器的可机加工性已大大地提高了。

金属基复合材料和陶瓷基复合材料很能机加工，它们依赖于单独的成分的特性，比如说增强纤维或金属须和基体材料。

20.9.4热辅助加工

在室温下很难机加工的金属和合金在高温下能更容易地机加工。

在热辅助加工时（高温切削），热源—一个火把，感应线圈，高能束流（例如雷射或电子束），或等离子弧—被集中在切削刀具前的一块区域内。

好处是：

（a）低的切削力。

（b）增加的刀具寿命。

（c）便宜的切削刀具材料的使用。

（d）更高的材料切除率。

（e）减少振动。

也许很难在工件内加热和保持一个不变的温度分布。

而且，工件的最初微观结构也许被高温影响，且这种影响是相当有害的。

尽管实验在进行中，以此来机加工陶瓷器如氮化矽，但高温切削仍大多数应用在高强度金属和高温度合金的车削中。

小结

通常，零件的可机加工性能是根据以下因素来定义的：

表面粗糙度，刀具的寿命，切削力和功率的需求以及切屑的控制。

材料的可机加工性能不仅取决于起内在特性和微观结构，而且也依赖于工艺参数的适当选择与控制。

著

原文：

20.9MACHINABILITY

Themachinabilityofamaterialusuallydefinedintermsoffourfactors:

1、Surfacefinishandintegrityofthemachinedpart;

2、Toollifeobtained;

3、Forceandpowerrequirements;

4、Chipcontrol.

Thus,goodmachinabilitygoodsurfacefinishandintegrity,longtoollife,andlowforceAndpowerrequirements.Asforchipcontrol,longandthin（stringy）curedchips,ifnotbrokenup,canseverelyinterferewiththecuttingoperationbybecomingentangledinthecuttingzone.

Becauseofthecomplexnatureofcuttingoperations,itisdifficulttoestablishrelationshipsthatquantitativelydefinethemachinabilityofamaterial.Inmanufacturingplants,toollifeandsurfaceroughnessaregenerallyconsideredtobethemostimportantfactorsinmachinability.Althoughnotusedmuchanymore,approximatemachinabilityratingsareavailableintheexamplebelow.

20.9.1MachinabilityOfSteels

Becausesteelsareamongthemostimportantengineeringmaterials（asnotedinChapter5）,theirmachinabilityhasbeenstudiedextensively.Themachinabilityofsteelshasbeenmainlyimprovedbyaddingleadandsulfurtoobtainso-calledfree-machiningsteels.

ResulfurizedandRephosphorizedsteels.Sulfurinsteelsformsmanganesesulfideinclusions（second-phaseparticles）,whichactasstressraisersintheprimaryshearzone.Asaresult,thechipsproducedbreakupeasilyandaresmall;

thisimprovesmachinability.Thesize,shape,distribution,andconcentrationoftheseinclusionssignificantlyinfluencemachinability.Elementssuchastelluriumandselenium,whicharebothchemicallysimilartosulfur,actasinclusionmodifiersinresulfurizedsteels.

Phosphorusinsteelshastwomajoreffects.Itstrengthenstheferrite,causingincreasedhardness.Hardersteelsresultinbetterchipformationandsurfacefinish.Notethatsoftsteelscanbedifficulttomachine,withbuilt-upedgeformationandpoorsurfacefinish.Thesecondeffectisthatincreasedhardnesscausestheformationofshortchipsinsteadofcontinuousstringyones,therebyimprovingmachinability.

LeadedSteels.Ahighpercentageofleadinsteelssolidifiesatthetipofmanganesesulfideinclusions.Innon-resulfurizedgradesofsteel,leadtakestheformofdispersedfineparticles.Leadisinsolubleiniron,copper,andaluminumandtheiralloys.Becauseofitslowshearstrength,therefore,leadactsasasolidlubricant（Section32.11）andissmearedoverthetool-chipinterfaceduringcutting.Thisbehaviorhasbeenverifiedbythepresenceofhighconcentrationsofleadonthetool-sidefaceofchipswhenmachiningleadedsteels.

Whenthetemperatureissufficientlyhigh-forinstance,athighcuttingspeedsandfeeds（Section20.6）—theleadmeltsdirectlyinfrontofthetool,actingasaliquidlubricant.Inadditiontothiseffect,leadlowerstheshearstressintheprimaryshearzone,reducingcuttingforcesandpowerconsumption.Leadcanbeusedineverygradeofsteel,suchas10xx,11xx,12xx,41xx,etc.LeadedsteelsareidentifiedbytheletterLbetweenthesecondandthirdnumerals（forexample,10L45）.（Notethatinstainlesssteels,similaruseoftheletterLmeans“lowcarbon,”aconditionthatimprovestheircorrosionresistance.）

However,becauseleadisawell-knowntoxinandapollutant,thereareseriousenvironmentalconcernsaboutitsuseinsteels（estimatedat4500tonsofleadconsumptioneveryyearintheproductionofsteels）.Consequently,thereisacontinuingtrendtowardeliminatingtheuseofleadinsteels（lead-freesteels）.Bismuthandtinarenowbeinginvestigatedaspossiblesubstitutesforleadinsteels.

Calcium-DeoxidizedSteels.Animportantdevelopmentiscalcium-deoxidizedsteels,inwhichoxideflakesofcalciumsilicates（CaSo）areformed.Theseflakes,inturn,reducethestrengthofthesecondaryshearzone,decreasingtool-chipinterfaceandwear.Temperatureiscorrespondinglyreduced.Consequently,thesesteelsproducelesscraterwear,especiallyathighcuttingspeeds.

StainlessSteels.Austenitic（300series）steelsaregenerallydifficulttomachine.Chattercanbesproblem,necessitatingmachinetoolswithhighstiffness.However,ferriticstainlesssteels（also300series）havegoodmachinability.Martensitic（400series）steelsareabrasive,tendtoformabuilt-upedge,andrequiretoolmaterialswithhighhothardnessandcrater-wearresistance.Precipitation-hardeningstainlesssteelsarestrongandabrasive,requiringhardandabrasion-resistanttoolmaterials.

TheEffectsofOtherElementsinSteelsonMachinability.Thepresenceofaluminumandsiliconinsteelsisalwaysharmfulbecausetheseelementscombinewithoxygentoformaluminumoxideandsilicates,whicharehardandabrasive.Thesecompoundsincreasetoolwearandreducemachinability.Itisessentialtoproduceandusecleansteels.

Carbonandmanganesehavevariouseffectsonthemachinabilityofsteels,dependingontheircomposition.Plainlow-carbonsteels（lessthan0.15%C）canproducepoorsurfacefinishbyformingabuilt-upedge.Caststeelsaremoreabrasive,althoughtheirmachinabilityissimilartothatofwroughtsteels.Toolanddiesteelsareverydifficulttomachineandusuallyrequireannealingpriortomachining.Machinabilityofmoststeelsisimprovedbycoldworking,whichhardensthematerialandreducesthetendencyforbuilt-upedgeformation.

Otheralloyingelements,suchasnickel,chromium,molybdenum,andvanadium,whichimprovethepropertiesofsteels,generallyreducemachinability.Theeffectofboronisnegligible.Gaseouselementssuchashydrogenandnitrogencanhaveparticularlydetrimentaleffectsonthepropertiesofsteel.Oxygenhasbeenshowntohaveastrongeffectontheaspectratioofthemanganesesulfideinclusions;

thehighertheoxygencontent,thelowertheaspectratioandthehigherthemachinability.

Inselectingvariouselementstoimprovemachinability,weshouldconsiderthepossibledetrimentaleffectsoftheseelementsonthepro