了解机械加工性：测量和关键因素

让我们从要回答的首要问题开始：什么是可加工性？简而言之，机械加工性是指材料被切割（机械加工）以获得所需零件质量的难易程度。这里的零件质量是指尺寸精度、公差和表面光洁度等特性。

具有高机械加工性的材料通常需要更少的时间和功率来加工，导致刀具磨损更少，并且具有更好的表面质量。可以理解的是，从生产角度来看，具有高机械加工性的材料总是更可取的。然而，这可能并不总是符合设计师的观点，设计师追求高强度、高性能和热稳定性，而易加工材料并不总是如此。

这在不同的工程要求之间创建了一个有趣的权衡，我们将在本文中详细讨论。

影响机械加工性的因素

在讨论材料的切削加工性时，许多因素都会发挥作用。这些来自于材料的核心特性、其后期处理以及切削条件。

1。材料属性

影响机械加工性的最重要的一组特性是材料特性。由于每种材料都具有一组独特的属性，工程师必须了解每种属性对机械加工性的影响，以便能够做出明智的决策。

1.1 硬度

硬度是决定材料可加工性的关键因素，因为它定义了“切割”表面的难度。由于加工刀具主要与工件表面相互作用，因此硬度是切削加工性的重要特性。

一般来说，像铬镍铁合金这样较硬的材料需要更多的力量来切割，因为工具需要施加更大的力。此外，加工硬质材料时，刀具磨损得更快。简而言之，高硬度意味着低切削加工性。

1.2 韧性

韧性是决定切削加工性的另一个关键参数。高碳钢等高韧性材料具有良好的吸收切削力和抗变形能力，需要更高的切削力和更耐用的刀具。

此外，坚韧的材料由于其高延展性会产生长而粘的切屑。虽然这有利于保持平稳的切削动作和有效的热传递，但长切屑经常与刀具缠结，导致切削延迟和工件表面磨损。

1.3 导热系数

机械加工过程由于材料的剪切而产生热量。因此，切割界面的热管理对于有效的切割过程非常重要。就传热而言，这在很大程度上取决于材料的导热系数。

难切削材料一般导热系数较低，这意味着切削界面处产生的热能不会很快消散。这会导致一些负面影响，例如工件和刀具热软化、刀具寿命降低和尺寸精度降低。这种材料的一个典型例子是钛，它存在所有这些问题。

低导热率还阻碍了高切削速度和进给量的使用，因为产生的热量无法有效转移。

2。切削条件

可加工性是指材料在切割时的表现。因此，除了材料性能外，切削条件也会影响材料的切削加工性。

2.1 切割参数

机械加工中的主要切削参数是切削速度、进给量和切削深度。从生产角度来看，优化这三者是有益的，因为它可以提高材料去除率。然而，这并不总是可能的。

较高的切削速度通常会导致材料的加工性能降低，因为产生过多的热量和摩擦会导致刀具磨损。然而，在大多数情况下，它确实可以改善表面光洁度。同时，增加切削进给会导致更高的切屑负载和切削力。这可能会损坏工具并导致过度振动。

切削深度还与切削力、功耗和发热呈正相关。这些是对工具和工件的影响。此外，较高的切削深度还会产生机械应力和热应力，从而对表面完整性产生负面影响。

此外，切削深度也是切削过程动态稳定性的主要影响因素。增加超过一定限度会导致颤振，这对工具和机器有害。

2.2 切削工具

数控铣刀具有复杂的几何特征，显着影响可加工性。最明显的例子是前角（切削刃的角度）。负前角可减少切削负载并改善切屑形成，这是高切削加工性的标志。然而，这也使得该工具变得更弱。

同样，另一个因素是后角，它影响刀具磨损和散热等切削加工性指标。

2.3 冷却和润滑

机械师经常在刀具与工件的界面上涂抹冷却剂和润滑剂，以增强材料的切削加工性。这些增强了材料的散热和摩擦性能，从而实现更平滑的切削动作、更好的表面光洁度和更长的刀具寿命。

2.4 机床状况

数控机床的状况是决定可加工性的另一个因素。较旧的机器通常在其轴驱动器中存在间隙，并且在动态切削负载下振动更大。这使得加工变得困难，使得机器无法处理难切削材料。

机械加工性能等级是多少？

工程师的工具箱中有各种各样的可加工材料，因此在可加工性方面比较它们可能很棘手。衡量材料可加工性的常用方法之一是通过其可加工性评级。

可加工性评级的一个标准特征是有一个参考材料以便于比较。例如，其中一种标准材料是 C36000 黄铜，其切削加工性等级为 100%。随着材料变得越来越难以切割，它们各自的等级也会降低。例如，AISI 1018 的评级为 70%，表示机械加工性平均。

为什么可加工性图表很重要？

一般来说，机械加工性能等级记录在机械加工性能图表中，每个 CNC 机械车间都可以找到该图表。有了易于浏览的机械加工性图表，就可以快速轻松地比较整个工程材料系列的机械加工性。

该评级系统的主要目的是支持工程决策。对于设计工程师来说，它有助于了解他们所选择的特定材料的任何生产复杂性。这在实际情况中很有帮助。

例如，如果他们选择难以切割的材料，他们可能会在工程图纸中通过特殊注释进行指示，或者特别包括表面光洁度要求，以确保机械师完全理解设计意图。对于机械师来说，它有助于选择刀具、切削参数和润滑/冷却条件。

提高可加工性的不同方法

机械车间采用多种策略来提高材料的可加工性。这带来了多种好处，例如加工效率更高、成本更低以及产品整体质量更高。

热处理

前面几节详细介绍了材料特性对机械加工性的依赖性。因此，当我们谈论提高机械加工性能时，改变材料性能是行动列表中最重要的想法。

热处理是提高材料切削加工性能的有效方法。例如，钢和铝等常见的 CNC 材料通常会进行退火，以降低硬度、细化晶粒结构并消除内应力。

材料添加剂

使用材料添加剂是提高机械加工性能的另一种方法。核心主题是将材料添加剂融入基材的晶格结构中，使其机械性能易于加工。

例如，添加锌来形成黄铜等铜合金可以极大地提高纯铜的机械加工性，从而实现更低的力、摩擦和更好的切屑形成。事实上，许多切削加工性评级标准都使用含锌铜合金C36000作为参考材料，因为它具有较高的切削加工性。

冷却剂/润滑剂

优化切削条件，特别是冷却剂/润滑剂的应用，可以显着提高切削加工性。使用此类试剂可以提高刀具与工件界面的摩擦学性能，从而使工件材料更易于切削。

润滑剂可以减少摩擦和随之而来的热量产生，从而减少工具磨损和热引起的应力等因素。此外，它还允许机械师使用更激进的切削参数，从而实现更高的材料去除率。

冷却剂增强切削界面处的散热性能。随着更多的热量有效地从切削区域转移出去，热应力、尺寸误差和刀具破损都会降低。

切削参数优化

最后，明智地选择切削参数也可以对材料的切削加工性产生积极影响。大多数时候，方程式很简单。较高的速度、进给量和切削深度会降低切削加工性，反之亦然。

然而，也存在一些违反直觉的情况，这要求制造商对金属切削的基本原理有深入的了解。例如，积屑瘤的情况。如果机械师观察到刀具刀片上的材料粘附率很高，这对刀具寿命不利，那么提高切削速度或稍微进给对于减少积屑瘤和刀具磨损来说可能是有益的。

如何测量可加工性？

虽然没有计算材料可加工性的标准方法，但有一些普遍接受的系统。其中大多数依赖于两个主要组成部分：拥有一套标准来估计材料的可加工性，以及参考材料来对其他材料进行排序以便于比较。

切削刀具寿命

切削刀具寿命是最实用的切削加工性衡量标准之一，因为它对生产率、质量和财务有直接影响。其原理是根据切削刀具在需要更换或重磨之前可在材料上使用的时间来评估材料的切削加工性。当然，这是考虑了刀具几何常数等所有其他因素。

可以理解的是，切削加工性高的材料不会造成刀具的高磨损和热损伤，因此刀具寿命较长。另一方面，像钢这样的难切削材料很快就会磨损工具。

数学测量这一点的方法之一是使用泰勒刀具寿命方程：

这里，Vc和T分别对应于切削速度和刀具寿命。其他参数与切削条件和刀具材料有关，这些参数在可加工性分析中保持固定。允许更高切削速度同时保持与参考材料相似的刀具寿命的材料被认为更容易加工。

表面光洁度

表面光洁度是衡量可加工性的另一个常见参数。这是一个可行的参数，因为机械加工性的任何变化大多数时候都会直接反映在表面质量的变化上。例如，硬质材料的机械加工性较低，并且由于碎裂和摩擦而导致表面光洁度粗糙。

而且，测量表面光洁度本身也相当方便。大多数情况下，机械师可以明显观察到。此外，工程师还可以利用易于使用的表面测试仪来快速绘制加工表面的表面光洁度。

功耗

机械加工由于切削力而消耗能量。难以切割的材料需要更大的力来切割。因此，它们消耗更多的电力。对于容易切割的材料，情况相反。

由于机械加工性和功耗之间存在非常直接的关系，因此它是材料机械加工性的常用衡量标准。

可加工性评级

切削加工性评级是衡量材料切削加工性的另一种方法。虽然不如其他方法那么科学，但它是一种非常实用的方法，在机加工车间环境中广泛使用。

常见数控材料及其可加工性

整个数控加工材料库太大了，无法入伍。因此，在本节中，我们将分享 CNC 材料的代表性样本及其相对切削加工性评级，以总体概述材料的切削加工性。

材料类别材料切削加工性 (%)金属易切削黄铜 (C36000)100 铝 (6061-T6)90-95 奥氏体不锈钢 (AISI 304)30-40 钛（5 级，Ti-6Al-4V）20-25 塑料聚乙烯 (HDPE)90 聚碳酸酯80 聚氯乙烯(PVC)70复合材料碳纤维增强聚合物40-50玻璃纤维增强聚合物30-40陶瓷氧化铝（氧化铝）30氧化锆（二氧化锆）15有机材料软木（例如松木）90硬木（例如橡木）70