【正文】 金屬加工性能 1. 簡(jiǎn)介 加工條件和材料的物理性能對(duì)材料的切削加工有直接影響。被 描述為 ” 加工的物質(zhì)條件 ” 的各種條件和特性，它們單獨(dú)或累加地直接影響和決定加工材料的加工性能。運(yùn)轉(zhuǎn)條件、刀具材料、幾何尺寸和加工工件的需求作業(yè)間接影響加工性能，并且經(jīng)常用于克服加工材料所呈現(xiàn)的復(fù)雜情況。另一方面如果忽視它們這些因素，這些因素可以導(dǎo)致出現(xiàn)增加加工難度的情況。對(duì)影響加工性能和加工工藝所有因素的完全理解有助于選擇材料和工件設(shè)計(jì)，已達(dá)到最佳加工方案和最大生產(chǎn)效率的目的。 2 加工材料的條件 以下八個(gè)因素決定加 工材料的的條件，顯微結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、熱處理、化學(xué)成分、制造、硬度、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度。 顯微結(jié)構(gòu)：一種金屬的顯微結(jié)構(gòu)是指通過蝕刻和拋光表面，在顯微鏡下檢測(cè)金屬的晶?；蚓w結(jié)構(gòu)。具有相似晶粒顯微結(jié)構(gòu)的金屬由相似的加工性能特性，但是在同一個(gè)加工工件上有多種影響加工性能的晶粒顯微結(jié)構(gòu)。 粒度：金屬的晶粒尺寸和機(jī)構(gòu)是金屬加工性能的一般衡量指標(biāo)。晶粒規(guī)則和細(xì)小的金屬更加容易切削和拋光。這種金屬不但延展性好，而且具有“粘性”晶粒尺寸中等大小的金屬呈現(xiàn)折中的金屬切削和拋光加工特性。金屬硬度一定與晶粒尺寸相關(guān)，并且 它是一般作為機(jī)械加工的指標(biāo)。 熱處理：提供所需的金屬特性，在固態(tài)狀態(tài)下，金屬經(jīng)過間或的一系列加熱和冷卻處理。金屬可以改善加工性能，如減少脆性、消除應(yīng)力、增強(qiáng)硬度或其他變化。 化學(xué)成分：金屬的化學(xué)成分是決定金屬加工性能的主要因素。化學(xué)成分的影響不總是很明確。因?yàn)槎喾N元素構(gòu)成的金屬合金，每種元素都對(duì)金屬加工性能有影響，而他們影響的疊加則不確定。關(guān)于鋼鐵的化學(xué)成分與加工性能聯(lián)系可以這樣歸納，但非鐵合金過于復(fù)雜多樣而不能這樣歸納。 制造：無論金屬是被熱軋、冷軋、冷拉、熔煉、鍛造都會(huì)影響它的晶 粒尺寸、塑性、硬度、晶體結(jié)構(gòu)和其加工性能?！凹庸ぁ笔侵赣脗鹘y(tǒng)的加工工藝，捶打或材料成型為可以隨時(shí)改變的組件或構(gòu)件。加工金屬分為棒材、鋼坯、卷板、條料、板材 1 或管材。 鑄造要將熔融金屬澆鑄到一個(gè)模具中以得到要求低的、相似的形狀，有些情況是不需要加工的。澆鑄需要的模具可以用沙子、石膏、金屬或其他材料制作而成。 硬度：書本上硬度的定義材料抵抗變形的趨勢(shì)。硬度的衡量經(jīng)常用布氏硬度或洛氏硬度方法。測(cè)量硬度的方法是采用預(yù)訂的負(fù)載或重力，用一個(gè)特定尺寸和形狀的壓頭壓緊測(cè)試材料的表面。布氏硬度或洛氏硬度讀數(shù)與壓痕到材料表面的 距離有關(guān)。越大的壓痕，布氏硬度或洛氏硬度讀數(shù)越??；大的布氏硬度或洛氏硬度讀數(shù)，則壓痕到材料表面的距離就很小。根據(jù)定義，是一種硬度極大的金屬。圖 1 展示了如何測(cè)量硬度。 布氏硬度測(cè)試要嵌入一個(gè)特定直徑的鋼球，用一公斤的負(fù)載在材料表面測(cè)試。布氏硬度值（ BHN）是在測(cè)試工件表面留下的球形壓痕的每單位面積負(fù)載（平方毫米）。這種標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量方法提供了統(tǒng)一的方法來測(cè)量比較不同加工材料的硬度或某種材料硬化過程。 洛氏硬度測(cè)試可以采用多種尺寸的壓頭和多種負(fù)載測(cè)試。硬度測(cè)試或洛氏硬度有幾種不同的硬度等級(jí)。就 實(shí)際應(yīng)用來說有三種最受流行的等級(jí)。 這個(gè)測(cè)試的設(shè)計(jì)如下： 洛氏硬度 測(cè)試 等級(jí) 應(yīng)用 A 鎢合金、其他薄的、硬的、條狀硬質(zhì)材料。 B 中等硬度、退火條件下的低碳鋼。 C 材料硬度大于洛氏硬度 100HBS 在一般實(shí)際加工中，低硬度材料可以使生產(chǎn)效率提高，因?yàn)榍邢魉俣纫罁?jù)硬度 2 選擇（硬度越小，切削速度越高）。加工工件硬度的增加對(duì)刀具的使用壽命產(chǎn)生不利影響。對(duì)于既定的切削速度和硬度，切削應(yīng)力和溫度的只能更加使刀 具的使用壽命減少。對(duì)于鉆孔和車削，切削溫度的增加是對(duì)刀具壽命不利的，因?yàn)樗a(chǎn)生的額外熱量使刀具邊緣磨損加速。在切削過程中，材料硬度的增加使負(fù)荷增加，導(dǎo)致刀具邊緣過早的磨鈍。 屈服應(yīng)力：拉伸測(cè)試是比較金屬材料物理性質(zhì)的方法。拉伸測(cè)試可以得出屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和其他熱處理金屬材料多的物理性質(zhì)。還有，這種測(cè)試經(jīng)常用于比較不同的金屬材料的物理性質(zhì)。拉伸測(cè)試要采用一個(gè)圓柱棒或軸，在液壓機(jī)上用一個(gè)逐漸增大的力從另一端拉伸。 在測(cè)試開始前，在圓柱棒上二英寸和八英寸處各做一記號(hào)，當(dāng)圓柱棒受到逐漸增大的力作用 時(shí)，兩個(gè)記號(hào)的距離變大。如果負(fù)載可以使圓柱棒和記號(hào)回到原來的位置，則材料在彈性變形區(qū)域。測(cè)試有這樣一個(gè)過程，如果負(fù)載使圓柱棒的記號(hào)回不到原來位置，則發(fā)生永久變形。 屈服強(qiáng)度的測(cè)量就在永久變形前那個(gè)點(diǎn)。圖 2 展示屈服強(qiáng)度如何測(cè)試。 屈服強(qiáng)度的測(cè)試在永久變形發(fā)生點(diǎn)之前。屈服強(qiáng)度用每平方英寸多少磅（ PSI）來描述。永久變形之前過渡區(qū)橫截面積除以負(fù)載來決定。這種材料特性視具體情況而定，因?yàn)樗那?qiáng)度在熱處理后可以改變。硬度增大導(dǎo)致屈服強(qiáng)度增大。因?yàn)橛捕仍黾?，它需要更大的力來產(chǎn)生永久變形。屈服強(qiáng)度不能與 彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度混淆，因?yàn)檫@些特性與屈服強(qiáng)度不同，與當(dāng)前狀態(tài)無關(guān)。 通過定義可以知道，具有高屈服強(qiáng)度（產(chǎn)生永久變形的力）的材料在加工作業(yè)中切削開始時(shí)需要一個(gè)更大的力。這表明一個(gè)材料的屈服強(qiáng)度增加，產(chǎn)生更強(qiáng)切削應(yīng)力的刀頭形狀和切削更小的切削尺寸來抵御加工區(qū)域增加的負(fù)荷。因此具有相對(duì)較高屈服強(qiáng)度的金屬比中行等屈服強(qiáng)度的金屬更難加工，刀具的使用壽命更短。 拉伸強(qiáng)度：一個(gè)材料的拉伸強(qiáng)度隨著熱處理使其屈服強(qiáng)度的增加而增加。這個(gè) 3 物理材料特性也是有一個(gè)拉伸測(cè)試確定。拉伸強(qiáng)度（或極限強(qiáng)度）由拉伸測(cè)試產(chǎn)生的最大負(fù)荷 除以測(cè)試樣品過渡區(qū)域橫截面積來定義。因此，拉伸強(qiáng)度像屈服強(qiáng)度一樣用 PSI 來表示。這樣定義的好處是由于一種材料的當(dāng)前特性不止與物理特性有關(guān)，就像屈服強(qiáng)度、硬度一樣，經(jīng)過熱處理，值可以改變。因此，在材料確定的情況下，每一種硬度讀數(shù)對(duì)應(yīng)著不同的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。 在加工作業(yè)中正如屈服強(qiáng)度的增加，則切削力增加一樣，拉伸強(qiáng)度增加，切削力增加。同樣的，加工工件拉伸硬度的增加，為了生產(chǎn)效率和刀具使用壽命則需要產(chǎn)生更強(qiáng)切削力的切削刀頭幾何形狀。 某個(gè)材料的物理特性包括彈性模量、熱膨 脹、加工硬化等物理特性。 彈性模量：在前面提到的條件下，以同樣的方式進(jìn)行可拉伸試驗(yàn)來定義彈性模量。然而與硬度、屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度不同，彈性模量是某種材料的特定屬性，因此不會(huì)受到熱處理的影響。這種特定的屬性是衡量材料受到外力發(fā)生繞度變形的指標(biāo)。這種特性用 PSI 來描述。主要用處是為金屬提供了幾百萬的 PSI。 4 或 8 尺 6長的木棒支撐兩端，在中間掛兩百磅的負(fù)荷，下降的尺寸高度是同樣長度尺寸、掛同樣負(fù)荷鋼材的 17 倍。不是因?yàn)殇撹F更硬和結(jié)實(shí)，而是鋼鐵的彈性模量是木材的 17倍。 生產(chǎn)實(shí)踐表明，具有相對(duì)較 低彈性模量的加工工件一般需要前角度數(shù)為正或很大的刀具切割幾何形狀。前角為正的刀具產(chǎn)生較小的切削力，用這種刀具彈性材料的切屑變多了。前角度數(shù)很大的刀具容易發(fā)生咬刀，產(chǎn)生材料的剪切。前角度數(shù)為負(fù)的刀具當(dāng)?shù)毒唛_始切削時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的切削力，使加工材料的尺寸發(fā)生局部變形。 熱導(dǎo)率：材料通常被標(biāo)記為導(dǎo)熱材料或絕緣材料。導(dǎo)熱材料容易以較快的速度從更熱或更冷的物體上傳遞熱量，而絕緣體阻止熱量的傳遞。導(dǎo)熱率是描述某種材料傳遞熱量效率的衡量方法。因此，具有相對(duì)較高導(dǎo)熱率的材料視為導(dǎo)體，具有相對(duì)較低導(dǎo)熱率的材料視為絕緣 體。 具有相對(duì)較低導(dǎo)熱率的的金屬材料不能較快夠傳遞熱量。因此，加工這些材料時(shí)，切削刀具和加工工件變得很熱。這個(gè)過程加速了刀具的磨損和減少了刀具的使用壽命。具有底導(dǎo)熱率的金屬材料在切削區(qū)域（在加工工件和切削刀具之間）加足量的冷卻液，來增加刀具的使用壽命。 4 熱膨脹：許多材料，尤其是金屬材料當(dāng)它們的溫度上升時(shí)，尺寸有變大的趨勢(shì)。這種物理特性描述為熱膨脹。金屬的膨脹率的多樣化取決于某種金屬或合金的具體情況。金屬的熱膨脹率由熱膨脹系數(shù)決定。具有越大的熱膨脹系數(shù)，金屬溫度上升時(shí)或發(fā)生導(dǎo)熱時(shí)，產(chǎn)生的熱膨脹變形就越 大。例如，在 100 華氏溫度下 100 英寸的鋼材棒料，當(dāng)溫度上升時(shí)，尺寸變?yōu)? 英寸。相同條件的 100 英寸鋁材棒料，在相同狀況下為 英寸。在在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，鋁材棒料的改變的尺寸幾乎是鋼材棒料改變尺寸的二倍。這明確的不同表明不同的材料有不同的熱膨脹系數(shù)。 在一般加工方法中，具有較大熱膨脹系數(shù)的材料的加工很難符合尺寸公差要求。因?yàn)橐粋€(gè)加工工件溫度的微弱增加都會(huì)導(dǎo)致尺寸的變化。加工這種類型的金屬需要足夠的冷卻液以保證尺寸的穩(wěn)定性。另外，用前角度數(shù)為正的切削刀具可以減少加工溫度。 加 工硬化：許多金屬在冷加工時(shí)會(huì)有硬度參數(shù)上升的物理特性。冷加工涉及改變金屬物體的形狀，如彎曲、成型、滾壓和造型。當(dāng)金屬被改變形狀，內(nèi)部應(yīng)力的增加使金屬局部硬化。一種金屬與另一種金屬的內(nèi)部硬度改變速率和程度是多種多樣的。熱在金屬加工硬化中也起著重要作用。當(dāng)金屬產(chǎn)生加工硬化時(shí)，金屬溫度上升。它的作用像催化劑一樣產(chǎn)出更硬的加工工件。 具有加工硬化特性的加工工件在加工中不應(yīng)用大量冷卻液。另外，切削速度因與之有關(guān)聯(lián)，為了達(dá)到生產(chǎn)效率，不能不計(jì)后果的改變材料的切削速度。加工工件在加工過程中，加工硬化決定高速切削產(chǎn) 生的額外熱量。薄的切屑應(yīng)避免在這些材料上加工使用，因?yàn)榧庸?shí)踐中由于摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)造成前面提到的影響。刀具前角度數(shù)為正、低切削應(yīng)力、中等的切削速度和進(jìn)刀量一般在這種材料上加工很有效率。 術(shù)語“加工性能”是金屬與布氏硬度 160、美國鋼鐵協(xié)會(huì) B1112 高速切削低碳鋼，一種材料的加工難易程度。美國鋼鐵協(xié)會(huì)做了這種材料車削 180 英尺的測(cè)試，并與其他幾種材料比較了測(cè)試結(jié)果。如果 B1112 代表 100%等級(jí)，具有相對(duì)較低等級(jí)的材料則較難加工，超過 100%則較容易加工。 某種材料的加工性能等級(jí)評(píng)定需 要切削速度、表面粗糙度和刀具壽命等綜合考慮到加工性能等級(jí)排列。下面的表格多種金屬的加工性能等級(jí)排列。 5 材料 材料硬度 加工性能等級(jí) 6061 鋁材 — 190% 7075 鋁材 — 120% B1112 鋼材 160BHN 100% 416 不銹鋼 200BHN 90% 1120 鋼 160BHN 80% 1020 鋼材 148BHN — 影響加工性能的因素已經(jīng)解釋過，下面討論四種判斷加工性能的方法： 刀具使用壽命：金屬切削以及低的速度磨損刀具則認(rèn)為加工性能好，反之亦然。含有小 的硬質(zhì)雜物的加工工件材料與耐研磨金屬具有相似的機(jī)械加工特性，在切削過程中不需要消耗跟多的能量。還有，這種材料的加工性能比較低，因?yàn)樗哪湍ヌ匦允羌铀俚毒吣p的主要原因，增加加工成本。 刀具