難加工材料的加工技術的有效解決途徑

工程機械的一些零件由難加工材料製成。充分認識難加工材料的種類、切削加工的特點及其應當使用的刀具材料，研製先進的刀具及其材料，採用新的加工技術，是解決難加工材料加工問題的有效途徑。

一、難加工材料的種類

用於工程機械零件的難加工材料主要有高強度鋼、超高強度合金結構鋼、高錳鋼、淬硬鋼、冷硬鑄鐵、不鏽鋼、高溫合金、工程塑料、複合材料等。其難加工的原因一般是高硬度、高強度、高塑性和高韌性、低塑性和高脆性、低導熱性、有微觀的硬質點或硬夾雜物以及化學性質活潑。為此，應針對難加工材料的特點，採用新的加工技術，保證加工效率和加工質量。

二、難加工材料切削加工特點

1.高強度和超高強度鋼

高強度、超高強度鋼與普通碳素結構鋼相比，硬度和強度比45鋼高出1倍以上，衝擊值較大，導熱係數偏低，故切削力較大，切削溫度較高。

加工高強度、超高強度鋼時，應根據粗加工、半精加工、精加工的要求，分別採用不同牌號的YT類硬質合金刀具。高速精加工時，應採用高碳化鈦基（TiC）含量的YT類合金，也可採用YN類合金（金屬陶瓷）、塗層合金與Al2O3陶瓷。在工藝系統鋼性允許的情況下，應使刀具的前角和主偏角較小，刀尖圓弧半徑較大。加工時，則必須採用低於加工中碳正火鋼的切削用量和切削速度。

2.高錳鋼

常見高錳鋼的典型牌號有Mn13、40Mn18Cr3和50Mn18Cr4等。其原始硬度雖不甚高，但其塑性和韌性特別高，加工後硬化可達HBW500，導熱係數只為45鋼的1/4，切削力比加工中碳鋼時增大60%，切削溫度很高。

切削高錳鋼時應選用硬度高、有一定韌性、導熱係數較大、高溫性能好的刀具材料。粗加工時一般應選用YG類和YW類硬質合金，精加工時可用YW或YT14類合金，如用Al2O3陶瓷刀具進行高速精加工，效果則很好。加工時，宜採用較小的前角、主偏角和較大的后角；切削速度應較低，進給量應較大。

3.淬硬鋼和冷硬鑄鐵

淬硬鋼的硬度可達HRC60以上，塑性和導熱係數均極低；冷硬鑄鐵的硬度可達HRC52～HRC60，其他性能與淬硬鋼相近。這2種材料宜採用YG類合金（YG類的彈性模量大於YT類合金）。若用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，效果比硬質合金更好。加工時，刀具應採用較小的前角、主偏角和較低的切削速度。半精加工和精加工時可用CBN立方氮化硼刀具。

4.不鏽鋼和高溫合金

奧氏體不鏽鋼（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。加工時硬化嚴重，且有一定數量的硬質夾雜物，導熱係數僅為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，導熱係數很小（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。加工不鏽鋼和高溫合金都應採用YG類和YW類硬質合金，而不能用含Ti的YT類合金。加工時應採用適當的刀具前角，切削速度應較低，進給量應較大。

5.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2大類。其硬度、強度雖然不高，但導熱係數極小，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。加工工程塑料刀具材料一般選用YG類硬質合金或高速鋼。

6.複合材料

複合材料可以由金屬、高聚物和陶瓷三者中任意兩個人工合成。複合材料包括纖維增強材料和顆粒增強材料，其中纖維增強材料有碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）和Kevlar纖維（KFRP）等。其彈性模量和導熱係數都很小，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，刀具材料宜選用YG類硬質合金或高速鋼；顆粒增強材料的基體（如鋁合金）雖較軟，但顆粒（如SiC）很硬，對刀具切削力有衝擊和刮傷作用，故刀具受損傷很大，應採用CBN或金剛石刀具。

三．難加工材料加工新技術

1.採用高性能新刀具新材料

新型刀具（見圖1）的應用有力地提高了難加工材料加工效率。新型高速切削鋼有各種超硬高速鋼、粉末高速鋼和塗層高速鋼，其切削性能比普通高速鋼大為提高。新型硬質合金包括各種添加鉭、鈮等元素的WC基合金、細晶粒和超細晶粒的WC基合金、TiC基和Ti（C，N）基合金、塗層和稀土硬質合金，還有熱壓複合陶瓷和超硬刀具材料CBN、金剛石等，可以分別用於切削各種難加工材料，但應注意工件、刀具材料的合理匹配。

2.採用非常規切削方法

上述新型刀具材料在常規切削狀態下的性能尚不能滿足一些難加工材料的切削需要。例如，對於某些高硬度材料的加工，新型硬質合金的硬度和耐磨性還顯不足，因此必須降低切削速度，由此造成加工效率不高。CBN和金剛石刀具硬度雖高，但強度不足，且金剛石不能加工黑色金屬，故只能在一定的切削條件下用於難加工材料的加工。對於以上狀況，可採用非常規的新切削方法。

(1) 加熱切削法

加熱切削法一種是導電加熱切削，即在工件和刀具的迴路中（工件必須是導電體）施加低電壓（約5 V)、大電流（約500 A），使切削區產生熱量，從而使局部工件材料的力學性能、接觸和摩擦條件都發生變化。

另一種是等離子體加熱切削，即用等離子弧對靠近刀尖的工件材料進行加熱，使其硬度、強度降低，從而改善了切削條件。

這2種方法的效果相近，均可較大幅度地降低切削力，消除積屑瘤，提高表面粗糙度技術標準和刀具耐用度。因此用這樣的方法進行大切深、大進給加工硬材料是有效的。瀋陽工業大學和北京理工大學曾用等離子體加熱切削法加工高錳鋼和高強度鋼，華南理工大學和安徽工學院曾用電熱切削加工高強度鋼，取得了系統的試驗數據，並開始在生產中應用。此外，還有一種雷射輔助切削法，如圖2所示。

近年，國內發明了「電熔爆」切削法。帶電的刀盤與被加工表面產生劇烈放電，將被加工表層快速熔化、爆離，從而切掉餘量。此方法工件內部材料不受熱的影響，效率高，對硬、軟、黏料均適用，既可用於粗加工，又可用於精加工。

(2) 低溫切削法

低溫切削法用液氮（－180 ℃）或液體CO2（－76 ℃）為切削液，可降低切削區溫度，如圖3所示。據試驗，使用該方法主切削力可降低20%，切削溫度可降低300 ℃以上，同時積屑瘤消失，提高了已加工表面質量，刀具耐用度可提高2~3倍，在加工高強度鋼、耐磨鑄鐵、不鏽鋼、鈦合金時均有效果。

(3) 振動切削法

振動切削法是用不同形式的振動發生器，使刀具發生強迫振動。f >10 kHz者為高頻，f<200 Hz者為低頻。振動切削可使刀屑間摩擦係數和切削力大幅度降低，變形係數及切削溫度下降，積屑瘤消失，加工硬化降低，故能提高已加工表面質量。但對刀具耐用度有些不利，必須採用韌性強的刀具材料（如高速鋼、超細硬質合金等）。國內有10餘所高等院校及研究所對振動切削進行過研究，被加工材料涉及鈦合金、淬硬鋼、不鏽鋼、熱噴塗層、紫鋼、陶瓷及GFRP等，加工方法有車削、攻絲、鑽孔、鉸孔等，都取得了好的效果。若同時使用切削液，效果尤佳，如圖4所示。

(4) 真空切削法

日本東洋大學對真空中切削進行了研究，加工銅、鋁時，真空度對變形係數、切削力及已加工表面粗糙度無影響；而加工中碳鋼和鈦合金時，真空度越大，其變形係數及切削力加大，表面粗糙度較低。這是因為在真空中刀屑界面不能產生有利於減小摩擦的氧化物。圖5為真空切削的零件。

(5) 惰性氣體保護切削法

這是針對切削鈦合金這類材料所採取的一種措施。南京航空學院曾在鈦合金的切削區噴射氬氣，使切削區材料與空氣隔離，因而不產生不利於加工的化合物，從而改善了鈦合金的加工性。這種方法對化學性質活潑金屬的加工有一定效果。以此類推，如果採用某些特殊成分的切削液，也會有效果。

(6) 絕緣切削法

在切削過程中，如將工件、刀具連成迴路，迴路中有熱電流，則刀具磨損加劇；如將工件、刀具與工具機絕緣，切斷電流，則刀具耐用度有所提高。西北工業大學用這種方法鑽削高溫合金K14，西安黃河機械廠用該法切削1Cr13、2Cr13鋼，均取得了一定效果。這種方法的機理雖未查明，但簡單易行，有實用價值。

(7) 超高速切削法

在常規切削下，提高切削速度將使刀具耐用度降低。有人提出，當切削速度提高到一個臨界值，切削溫度就達到最高值，然後溫度將隨著速度繼續提高而降低，切削力也隨之下降，可獲得較高的表面質量。這就是超高速切削的理論基礎。美國、德國、日本的學校和工廠在這方面有很多實踐，他們用硬質合金、陶瓷刀具切削鋼、鑄鐵、鈦、鋁合金等材料。這種切削方法常受到設備條件限制而不能推廣，能否在難加工材料切削中發揮作用，尚有待探討。

3.採用特種加工方法

工程機械零件的加工，除了上述各種方法以外，相繼研究出一些與切削加工原理完全不同的加工方法，如電火花加工、電解加工、超聲加工、雷射加工、電子束加工、離子束加工等被稱為特種加工方法。

在特種加工方法中，工具與工件基本上不接觸，加工時無明顯的機械作用力，可加工脆性材料、精密細微零件、薄壁和弱剛性零件等。該方法利用電能、化學能、聲能、熱能去除被加工材料，瞬時能量密度很高，可加工任何高硬度材料。

目前，電火花加工多用於加工模具和異形孔等；電解加工多用於加工特形表面和異形孔，可獲得更高的表面質量；超聲加工可加工許多非金屬硬脆材料，尤其是加工異孔、切割等；雷射加工主要用於各種金屬、非金屬材料的打孔與切割；電子束加工主要用於打微孔和切縫；離子束加工可對零件表面進行超精密、超微量加工。

這些特種加工方法都需要特殊的專用設備，價格較昂貴，消耗能量很大，因此使用範圍受到很大限制，然而已在難加工材料的加工中發揮了很大作用，而且有著廣闊的發展前景。