解決難加工材料加工問題的有效途徑

1、 刀具的切削性能，不僅決定于刀具材料，還與刀具的結構及幾何形狀有關。這是刀具材料是最重要的因素。研制和選用先進的刀具材料是解決難加工材料切削加工最有效的手段之一。

2、除改進刀具以外，優化切削條件和采用新的切削方法也是解決難加工材料加工問題的有效途徑。切削條件指機床設備、切削用量和切削液等。新切削方法是指非常規的切削加工方法，如加熱切削、振動切削等。

從使用新刀具材料和新切削方法兩個方面，論述難加工材料切削技術的發展。

現代難加工材料的種類

隨著航空航天工業、核工業、兵器工業、化學工業、電子工業以及現代化機械工業的發展，對產品零部件材料的性能有著各種各樣的高水平要求。有的在高溫、高應力狀態下工作，有的要耐腐蝕、耐磨損，有的要能絕緣，有的則需有高導電率。故現代新的工程材料形形色色，多種多樣，不斷涌現，猶如雨后春筍。不僅使用一般的碳素結構鋼，而且使用了高強度鋼、超高強度合金結構鋼、高錳鋼和不銹鋼；不僅使用一般的灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵，而且使用了合金耐磨鑄鐵和冷硬鑄鐵；不僅使用黑色金屬，而且使用了鈦合金、銅合金、鋁合金及其它有色金屬；不僅使用一般的鐵碳合金，而且使用了多元合金如高溫合金等；不僅使用以珠光體、鐵素體為主的普通鋼材，而且使用了以索氏體、托氏體為主的中硬鋼和馬氏體淬硬鋼；不僅使用冶煉方法制成的金屬材料，而且使用了粉末冶金和熱噴涂等方法制成的金屬零件；不僅大量使用金屬材料，而且大量使用了各種非金屬材料，如石材、陶瓷、工程塑料、纖維和顆粒增強的復合材料等。

在上述各種新工程材料中，有不少是屬于難切削的，即所謂“難加工材料”。難加工的原因一般是以下幾個方面：

① 高硬度

② 高強度

③ 高塑性和高韌性

④ 低塑性和高脆性

⑤ 低導熱性

⑥ 有微觀的硬質點或硬夾雜物

⑦ 化學性質活潑。

新工程材料的這些特性一般都能使切削過程中的切削力加大，切削溫度升高，刀具耐用度下降；有時還將使已加工表面質量惡化，切屑難以控制；最終則使加工效率和加工質量降低。

機械加工工作者的任務是針對難加工材料的特點，對癥下藥，提出措施，采用新的加工技術，保證所需的加工效率和加工質量。

各種難加工材料的切削加工特點

1）高強度和超高強度鋼

調質（淬火，中溫回火）后σs>1 000 MPa或σb>1 100 MPa的結構鋼，稱為高強度鋼。調質后σs>1 200 MPa或σb>1 500 MPa的結構鋼，稱為超高強度鋼。在這類鋼材中，凡含碳量在0.30%~0.50%之間，合金元素總量不超過6%的，為低合金高強度、超高強度鋼，在生產中用得最多。還有合金元素含量較多的中合金、高合金高強度與超高強度鋼，它們的加工難度更大。

高強度、超高強度鋼的金相組織一般為索氏體和托氏體。與普通碳素結構鋼相比，它們的硬度、強度較高（約比45鋼高出1倍或1倍以上），沖擊值較大，導熱系數偏低，故切削力較大，切削溫度較高。加工高強度、超高強度鋼時，可選用與加工普通碳素鋼相同的刀具材料。根據粗加工、半精加工、精加工的要求，分別采用不同牌號的YT類硬質合金，最好是添加鉭鈮的牌號。高速精加工時，應采用高TiC含量的YT類合金，也可采用YN類合金（金屬陶瓷）、涂層合金與Al2O3陶瓷。在工藝系統鋼性允許的情況下，前角和主偏角應較小，刀尖圓弧半徑應較大。必須采用低于加工中碳正火鋼的切削用量，尤其是切削速度。

2） 高錳鋼

高錳鋼的典型牌號有Mn13，40Mn18Cr3，50Mn18Cr4等。經過水韌處理，金相組織為均勻的奧氏體。它的原始硬度雖不甚高，但其塑性和韌性特別高，加工硬化特別嚴重。硬化后可達HBW500。它的導熱系數很小，只為45鋼的1/4。切削力比加工中碳鋼時增大60%，切削溫度很高。應選用硬度高、有一定韌性、導熱系數較大、高溫性能好的刀具材料。一般，粗加工時應選用YG類和YW類硬質合金；精加工時可用YW或YT14合金，用Al2O3陶瓷刀具進行高速精加工效果很好。宜采用較小的前角和主偏角，較大的后角，切削速度應較低，進給量應較大。

3） 淬硬鋼和冷硬鑄鐵

淬硬鋼的組織為回火馬氏體，硬度可達HRC60以上。塑性和導熱系數均極低。冷硬鑄鐵的特點是鑄鐵表面經激冷而發生“白口”（組織為滲碳體加珠光體），硬度亦達HRC52~HRC60，其它性能與淬硬鋼相近。宜采用YG類合金（YG類的彈性模量大于YT類合金）。用Al2O3或Si3N4基陶瓷刀具對淬硬鋼和冷硬鑄鐵進行精加工、半精加工，效果比硬質合金好。刀具前角和主偏角應小，切削速度應低。半精加工和精加工時可用CBN刀具。

4） 不銹鋼和高溫合金

鐵素體、馬氏體不銹鋼的切削加工并不太難。奧氏體不銹鋼（如1Cr18Ni9Ti)加工難度較大，它的原始硬度、強度都不太高，但塑性、韌性很高，加工硬化嚴重，且有一定數量的硬質夾雜物，導熱系數很小（為45鋼的1/3），切削力較大，切削溫度較高。高溫合金的加工難度更大，其原始硬度、強度偏高，導熱系數很小（為45鋼的1/3~1/4），硬夾雜物多，加工硬化嚴重，切削力大，切削溫度高。高溫合金中含有許多高熔點合金元素，如Fe，Ti，Cr，Co，Ni，V，Mo，W等，它們與非金屬元素N、C、B等結合成比重小、熔點高的高硬度化合物，還能形成有一定硬度和韌性的金屬間化合物，這些都能加劇刀具的磨損。加工不銹鋼和高溫合金都應采用YG類和YW類硬質合金，而不能用含Ti的YT類合金。采用適當的刀具前角，切削速度應較低，進給量應較大。必要時也可采用高速鋼刀具。

5） 熱噴涂材料

利用不同熱源，將合金粉末（Ni基、Fe基、Co基等）或陶瓷等材料加熱至溶化狀態，并在較大壓力和噴射速度下噴涂到工件表面上，從而形成一層牢固的、耐高溫、耐磨損的保護層。熱噴涂材料的成分、性能及加工性都與高溫合金相似，硬度尤高，刀具材料及切削用量的選用原則亦與高溫合金相近。株洲廠的YC09硬質合金加工熱噴涂材料很有效。

6） 鈦合金

鈦合金的導熱系數極小（只為45鋼的1/6），化學性質活潑，易與大氣中氧、氮等化合而形成硬脆物質，刀屑接觸界面短，切削溫度高，彈性模量小。只能采用YG類硬質合金。刀具前角應小，切削速度應低，進給量應較大。必要時也可采用高速鋼刀具。

7） 石材

石材不僅是建筑材料，而且越來越多地用作機械工程材料。石材都較硬，例如輝綠巖為HS80，大理石為HS50，花崗巖達HS100以上。它們都是抗壓強度高，抗彎強度低，材質不如金屬材料均勻。出粉狀或粒狀碎屑。一般用YG類硬質合金加工，切割時常用金剛石鑲齒鋸片。

8） 工程塑料

工程塑料的品種非常多，按其性質的不同可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。前者有聚氯乙烯、聚丙烯、有機玻璃等，后者有膠木、玻璃鋼等。塑料的比重小，比強度高，耐磨損，抗腐蝕，不導電，具有良好的使用性能。它們的硬度、強度雖然不高，但導熱系數極小，只為碳鋼的1/175~1/450，加工時容易引起燒傷和熱變形。彈性模量小，不易保證加工尺寸。刀具材料一般選用YG類硬質合金或高速鋼。

9） 復合材料和纖維增強材料

復合材料可以由金屬、高聚物和陶瓷三者中任意兩個人工合成。復合材料包括纖維增強材料和顆粒增強材料。纖維增強的有碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）和Kevlar纖維（KFRP）等。纖維增強材料的彈性模量和導熱系數都很小，已加工表面易發生回彈、撕裂，產生毛刺；纖維對刀具切削力有一定擦傷作用。故表面質量不易保證，刀具耐用度亦受影響。切削力和表面粗糙度常因切削方向不同而變化。刀具材料宜選用YG類硬質合金或高速鋼。顆粒增強復合材料的基體（如鋁合金）雖較軟，但顆粒（如SiC）很硬，對刀具切削力有沖擊和刮傷，故刀具受損傷很大。一般，高速鋼、硬質合金和陶瓷刀具切削顆粒增強復合材料均不能勝任；建議用CBN或金剛石刀具，但應采取增強刀具切削力的措施。

新的難加工工程材料不僅是以上所提到的，還有其它的類型，如純金屬（純鐵、純銅、純鎳）、高比重合金以及陶瓷等等，它們的加工性也各有特色，此處不一一介紹。