難加工金屬材料的切削加工性
隨著科學技術的發展，對機械電子、航空航天、兵器產品和化工設備及其零部件的性能有著各種新的要求。有的需在高溫、高應力狀態下工作，有的要能耐腐蝕、耐磨損，有的要能絕緣，有的需有高的電導率。故現代新型工程材料不斷湧現。不僅使用一般的碳素結構鋼，而且使用了高強度、超高強度合金結構鋼、高錳鋼和不鏽鋼；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、鋁合金及其他有色金屬；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、托氏體為主的中硬調質鋼和馬氏體淬硬鋼。此外，還大量使用各種非金屬材料和粉末冶金材料等。在以上新工程材料中，有不少是屬於難切削的，即所謂「難加工材料」。
難加工的原因一般是以下幾個方面：
高硬度；
高強度；
高塑性和高韌性；
低塑性和高脆性；
低導熱性；
有大量微觀硬質點或硬夾雜物；
化學性質活潑。
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，刀具磨損加劇，刀具使用壽命縮短；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，加工成本提高。
一、高強度、超高強度鋼的切削加工性
高強度鋼、超高強度鋼的半精加工、精加工和部分粗加工常態調質狀態下進行。調質(淬火、中溫回火)後的金相組織為索氏體或托氏體，硬度達HRC35—55。一般，σs＞1GPa或σb＞1.1GPa的結構鋼，稱為高強度鋼；σs＞1.2GPa或σb＞1.5GPa稱為超高強度鋼。其延伸率和衝擊值雖有所降低，但有些鋼種（如38CrNiMoVA）調質後的塑性和韌性仍然不低於中碳正火鋼。含碳量的0.30％—0.50％之間，合金元素總量不超過6％的，為低合金高強度鋼、超高強度鋼，在生產中用得最多。還有合金元素含量更多的中合金、高合金高強度鋼與超高強度鋼，其加工難度更大。機械前沿微信號：jixieqianyan
與普通碳素結構鋼相比，高強度鋼、超高強度鋼的強度高(都比45鋼高出l倍或l倍以上)，導熱係數偏低，故切削力大(為加工4.5鋼的1.2—1.3倍)，切削溫度高(比加工45鋼高出100—200℃)，刀具磨損快，刀具使用壽命短[93]，斷屑亦稍難。
根據以上特點，必須採用耐磨性強的刀具材料。按粗加工、半精加工、精加工的要求，應分別採用不同牌號的YT類硬質合金，最好是添加鉭、鈮的牌號。高速精加工時，應採用高TiC含量並添加鉭鈮的YT類合金、TiC基和Ti(C，N)基硬質合金、塗層硬質合金和復合A1203陶瓷等。刀具前角應較小，例如車削38CrNi3MoVA時，取γ。＝4—6º；車削35CrMnSiA時，取γ。＝0—-4º。在工藝系統剛性允許的情況下，應採用較小的主偏角kr和較大的刀尖圓弧半徑rε。切削用量，尤其是切削速度，應比加工中碳正火鋼時適當降低。儘可能採用切削液與斷屑措施以改善切削條件。
二、高錳鋼的切削加工性
高錳鋼的典型牌號有Mnl3、40Mnl8Cr3、50Mnl8Cr4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(分別為45鋼的4倍和8倍)，加工硬化特別嚴重。加工硬化後，可高達HB500左右。切削過程中，工件表面上還會形成高硬度的氧化層(Mn203)。它的導熱係數很小，約為45鋼的1／4。因此，切削溫度很高，切削力約比加工45鋼時增大60％。高錳鋼比高強度鋼更難加工。
加工高錳鋼，應選用硬度高、有一定韌性、導熱係數較大、高溫性能好的刀具材料。粗加工時，可採用YG類、YH類或YW類硬質合金；精加工時，可採用YTl4、YG6X等合金。實踐表明，用復合氧化鋁陶瓷高速精車高錳鋼，效果很好。從提高切削刃強度和散熱條件出發，前角應選小值。但為使切屑變形不致過大，前角又不宜過小。一般，取γ。＝-5—5º，α。＝8—12º，λs＝0—-5º。切削速度應較低，一般為Vc=20—49m／min；只有用復合氧化鋁陶瓷精車時，可以來用高於100m／min的切削速度。進給量和切削深度均不能過小，以免切削刃或刀尖在上一道工序形成的硬化層中划過而加速刀具的磨損。
三、冷硬鑄鐵和淬硬鋼的切削加工性
冷硬鑄鐵的硬度極高，是其難加工的主要原因。它的塑性很低，刀—屑接觸長度很小，切削力和切削熱都集中在切削刃附近，因而切削刃很容易崩損。冷硬鑄鐵零件的結構尺寸和加工餘量一般都較大，毛坯精度低，因而就進一步加大了加工難度。
加工冷硬鑄鐵應選用硬度、強度都好的刀具材料，一般均採用細晶粒或超細晶粒的YG類和YH類硬質合金。實踐表明，用復合氧化鋁或氮化矽陶瓷對冷硬鑄鐵進行精加工、半精加工非常有效，刀具使用壽命和生產率比之硬質合金有顯著提高。為了提高切削刃和刀尖的強度，一般取γ。＝0—-4º，α。＝4—6º，λs= 0—-5º，主偏角kr適當減小，刀尖圓弧半徑rε適當加大。
淬硬鋼的組織為回火馬氏體，硬度達HRC60以上，塑性和導熱係數都很低。其加工性及刀具材料、刀具幾何參數的選擇基本上與冷硬鑄鐵同。對它們進行精加工，可採用CBN刀具。
四、純金屬的加工
常用的純金屬如紫銅、純鋁、純鐵等，其硬度、強度都較低，導熱係數大，對切削加工有利；但其塑性很高，切屑變形大，刀—屑接觸長度大並容易發生冷焊，生成積屑瘤，因此切削力較大，不容易獲得好的已加工表面質量，斷屑困難。此外，它們的線膨脹係數較大，精加工時不易控制工件的加工精度。機械前沿微信號：jixieqianyan
加工純金屬，可以用高速鋼刀具，也可以用硬質合金刀具。YG或YW類硬質合金可用於加工紫銅、純鋁，YT或YW類硬質合金可用於加工純鐵，應採用大前角和較大的后角(γ。＝25—35º，α。＝1—12º)，磨出鋒利的切削刃，以減小切屑變形。應儘量採用較高的切削速度和較大的切削深度、進給量，以提高生產率。
五、不鏽鋼和高溫合金的切削加工性
不鏽鋼按金相組織分，有鐵素體、馬氏體、奧氏體三種。鐵素體、馬氏體不鏽鋼的成分以鉻為主，經常在淬火—回火或退火狀態下使用，綜合機械性能適中，切削加工一般不太難。奧氏體不鏽鋼的成分以鉻、鎳等元素為主，淬火後呈奧氏體組織，切削加工性比較差，主要表現在：
(1)塑性大，加工硬化很嚴重，易生成積屑瘤而使已加工表面質量惡化。切削力約比45 鋼(正火)高25％。加工表面硬化程度及硬化層深度大，常給下道工序帶來困難。且不易斷 屑。
(2)導熱係數小，只為45鋼的1／3，產生的熱量不易傳出，所以切削溫度高。
(3)由於切削溫度高，加工硬化嚴重，加上鋼中有碳化物(TiC等)，形成硬質夾雜物，又易與刀具發生冷焊，故刀具磨損快，使用壽命降低。
高溫合金按其化學成分，有鐵基、鎳基、鈷基三種。高溫合金的加工性比不鏽鋼更差。高溫合金中含有許多高熔點合金元素，如鐵、鈦、鉻、鈷、鎳、釩、鎢、鉬等，它們與其他合金元素構成純度高、組織緻密的奧氏體合金。有些元素又與非金屬元素碳、氮、氧等結合成比重小、熔點高的高硬度化合物。還能形成一些具有一定韌性的高硬度的金屬間化合物。同時，有些合金元素進入固溶體，使基體強化。高溫合金經長期時效後，又能從固溶體中析出硬質相，進一步使晶格歪扭，這不僅增大了塑性變形阻力，而且由於硬質顆粒的存在而加劇了刀具的磨損[78]。
高溫合金的高硬度化合物有：
碳化物——如TiC、VC、NbC、WC、W2C等；
氮化物——如TiN、VN、NbN等；
氧化物——如Al203、SiO2等；
金屬間化合物——如FeCr、CoCr、FeCrMo等。
高溫合金的加工有如下特徵：
(1)強度較高，又由示抵抗塑性變形的能力強，所以切削力很大，大約為中碳鋼的一倍。
(2)硬度較高，尤其高溫硬度高於其他金屬材料，加工時由於塑性變形而進一步硬化。
(3)導熱係數小，只為45鋼的l／3—1／4，故切削溫度很高，刀具磨損加劇。
(4)合金中的高硬度化合物構成硬質點，進一步加劇了刀具的磨損。
(5)在中、低切削速度下，易與刀具發生冷焊。在高速高溫下，又使刀具發生劇烈的擴散磨損。 機械前沿微信號：jixieqianyan
YT類硬質合金刀具不宜用於加工奧氏體不鏽鋼和高溫合金，因為YT類硬質合金中的鈦元素易與工件材料中的鈦元素髮生親和而導致冷焊，在高溫下還加劇了擴散磨損。一般宜採用YG類(最好添加鉭、鈮，如YG6A)、YH類或YW類硬質合金，也可以採用高性能高速鋼。刀面應磨光，且需採取斷屑措施。加工奧氏體不鏽鋼時，宜採用較大的前角(γ。＝15—30º以減小切屑變形)與中等的切削速度(Vc＝50—80m／min，硬質合金)。加工高溫合金時，宜採用偏小的前角(γ。＝0—10º，以提高切削刃的強度)與偏低的切削速度(Vc＝30—40m／min)硬質合金。不論加工奧氏體不鏽鋼或高溫合金，切射深度和進給量均宜適當加大，避免切削刃和刀尖划過硬化層。
六、鈦合金的切削加工性
鈦合金的切削加工性也很差，刀具磨損快，刀具使用壽命低，原因如下：
(1)加工鈦合金時，剪切角很大，變形係數Λh接近於1，說明切屑變形不大，切削力比加工中碳鋼約小20％。但是鈦的化學性能活潑，在高溫下易與大氣中的氧、氮等元素化合從而生成硬脆的物質，加劇了刀具磨損。刀—屑接觸長度很短(只為鋼的1／3—1／4)。
(2)導熱係數極小，只為45鋼的1／5—1/7，切削熱又集中在切削刃附近，故切削溫度很高，約比加工45鋼時高出一倍。
(3)已加工表面經常出現硬而脆的外皮，給以後工序帶來困難。
(4)彈性模量小，已加工表面回彈量大，加劇了對後刀面的摩擦。在攻絲、鉸孔和拉削時影響很大。
為避免工件、刀具中的鈦元素髮生親和，加工鈦合金時不宜採用YT類硬質合金而建議用YG類、YH類合金。為提高切削刃強度和散熱條件，應採用較小的前角(γ。＝5—10º)。因回彈量大，宜用較大的后角(α。＝10—15º)。切削速度不宜過高，一般為Vc＝40—50m／min。切削深度與進給量宜適當加大。對於成形刀具和複雜刀具，亦可採用超硬高速鋼。刀具幾何參數與切削用量另定。