可加工性

材料的可加工性

材料的可加工性是机械加工的一个重要工程参数，它是材料在塑性变形过程中不发生破坏的变形能力。材料的可加工性分为两个独立的部分，即应力状态可加工性和内在可加工性。应力状态可加工性主要通过施加的应力与变形区的几何形状来控制。因此，它主要针对于机械加工过程，而与材料特性无关。内在可加工性则依赖于合金成分以及先前加工历史决定的微观组织和在加工过程中对温度、应变速率和应变等参数的响应。

简介

可加工性这个词用于多种意义；没有一个确切的定义。然而总之是指切削工件材料时的难易程度。换句话说，是指材料容易被切削的程度。

利用材料物理的、化学的或机械的性质之一，来表征制品的性能，因此材料的性质优良，制成的工业制品其质量当然也好。然而，现代工业是立足于大量生产基础上的，生产率不高的材料作为工业制品是不合适的。除以上的性能外，材料机械制造的难易程度，是不能忽视的性质，即机械制造的难易程度在表征材料的性能方面是件重要的事。

在这种机械制造的难易程度中，有表示铸造难易程度的可铸造性，关于变形加工的变形性能等，而对于切削加工来说，则为可加工性。机械零件的大部分是在任意形状下接受切削加工的，因此可加工性对于一般工业材料来说是个重要的问题。

所谓可加工性虽具有上述的意义，但通常是考虑表示如下的性质：

1）刀具磨损要小，可在高的切削速度下进行切削。

2）切削力要小。

3）切削表面必须良好。

4）切削温度要低。

5）切屑必须长而不连续，容易处理。

具备上述所有性能的材料，才是可加工性好的材料。然人们的解释是不同的，有的以1、 2、3或1、3，6表示可加工性，最简单的则仅以第1项表示材料的可加工性。

然而，不管以什么来表示可加工性，最重要的则是第1项的刀具磨损要小，可在高的切削速度下进行切削，通常狭义地作为可加工性来说，往往只重视这一项。可加工性作为材料的性质，最近已广泛地被认为是重要的，试验可加工性的方法，或者可加工性优良的材料，即易切钢及易切合金的研究，已经取得了成果。

影响材料可加工性的因素

材料机械、物理性能

硬度材料常温硬度越高，可加工性越差，例如白口铸铁比灰铸铁难加工就是这个原因；材料高温硬度高，可加工性显著变差，例如耐热钢难加工就属此种；材料加工硬化越严重，可加工性越差，例如奥氏体不锈钢难加工的原因之一就是加工硬化严重，使刀具磨损加剧。

强度可加工性随材料强度的提高而降低，特别是高温强度越高，可加工性越差。例如，45钢在室温下的强度比20CrMo钢高，但在600℃时20CrMo钢的强度反而比45钢高，因此20CrMo钢的可加工性比45钢差。

塑性材料塑性大，切削变形大，切削温度高，且易产生积屑瘤，使可加工性变差。

韧性材料韧性越高，切削力越大，切削温度越高，加工越困难。此外，材料韧性对断屑也有显著影响，当强度相近时，韧性高的材料比韧性低的材料难断屑。

导热性材料导热系数愈小，切削热愈不容易传出，切削温度增高，刀具磨损严重，可加工性愈差。

材料化学成分

碳碳素钢的强度、硬度随含碳量的增加而提高，而塑性、韧性却随含碳量的增加而降低。低碳钢的塑性、韧性较高，高碳钢的强度、硬度较高，都给切削加工带来一定的困难。中碳钢的强度、硬度、塑性和韧性适中，所以可加工性较好。

铬、镍、钒、钼、钨、锰它们是组成合金钢的主要元素，都能提高钢的强度和硬度，有些还能提高钢的韧性。这些合金元素含量越多，可加工性越差。因此，在硬度相同的情况下，合金钢的可加工性比碳素钢差。

硫、磷、硒、铅、铋将这些元素少量加入钢中，能降低钢的强度和塑性。硫与钢中的锰和铁生成MnS及FeS，质地很软，与金属基体结合力很弱，能降低切削力，并有一定润滑作用．可降低刀具磨损及表面粗糙度Ra值。铅、硒、铋也有硫的类似作用。磷能降低铁素体的塑性，使切屑易于折断。这些都促使可加工性大为改善。

改善材料可加工性的途径

材料可加工性对切削加工的生产率和零件表面质量有很大影响，因此在满足零件使用要求的前提下，应尽量选用可加工性较好的材料。同时还应看到，材料可加工性不是一成不变的，而是可在一定范围内、一定程度上人为地进行改善，其改善途径有：

调整化学成分

由前述可知，在钢中加入少量硫、磷、硒、铅、铋等元素可改善钢的可加工性。人们利用这种方法冶炼出一类名为“易切削钢”的材料。易切削钢的强度虽略有降低，但刀具耐用度高，容易断屑，且能获得好的表面质量。易切削钢多用于自动机床上的标准件生产。

铸铁可加工性的好坏主要决定于游离石墨的多少。当含碳量一定时，游离石墨越多，则渗碳体越少，可加工性就越好。常在铸铁中添加适当的促进石墨化的元素，如硅、铝、镍、铜、钛等，来改善铸铁的可加工性。

选择相应的热处理工艺

通过热处理可将材料中不利于切削加工的金相组织转变成有利于切削加工的金相组织，达到改善材料可加工性的目的。例如，低碳钢因塑性大、硬度低而可加工性差，可通过正火处理降低塑性，提高硬度，改善其可加工性；高碳钢因硬度高而可加工性差。可采用球化退火处理，将其网状或片状的渗碳体组织转变成球状，使可加工性得到改善；白口铸铁因硬度极高而可加工性极差，可进行退火处理，将其渗碳体分解为絮状石墨，使其可加工性显著改善。

可加工性评价

可加工性评价主要针对零件的可加工性进行评价，零件的可制造性指标主要包括经济指标和技术指标两个方面，对于工程技术人员来说，可加工性是DFM最直接的内容，也是影响产品技术指标的主要内容，同时还是设计与制造之间协同的最基本的内容，零件设计过程就是从特征库中选取所需的特征（包括非几何信息），通过布尔运算，得到由特征组成的零件模型，根据影响可制造性的因素，可制造性评价可细分为特征关系评价、单元特征评价和零件总体评价3个部分，在特征关系评价中有公差关系评价、尺寸关系评价；在单元特征评价中有特征尺寸精度评价、表面粗糙度评价和特征形状评价；在零件总体评价中有总体结构工艺性评价、总体尺寸精度评价和总体质量要求评价。这些评价给出了并行设计中制造对设计的约束，并为设计阶段的评价使能工具开发提供了参考模型，对上述评价因素可以采用基于规则的技术，在规则库、工艺信息数据库、制造资源数据库、特征信息数据库等的支持下，通过匹配和推理来判定设计方案是否符合制造的需求，并给出反馈信息，从而对是否进行重新设计作出决策，同时为保证该系统的有效性，需定期组织专家，利用专家知识对评价结果进行校验，如发现校验结果不一致，则需调整或完善相应信息库中的内容，以达到校验结果的一致性。

可加工性分级

在金属切削加工中把常用材料中影响切削加工性的几个主要性能指标（硬度、抗拉强度、延伸率、冲击值、导热系数）按量的变化分成12级（见下表），用以综合衡量切削加工性的好坏。根据具体材料的力学、物理性能，从表中可查出该材料的切削加工性级号，找出影响加工性的主要因素，从而采取解决问题的措施。

工件材料的可加工性直接影响到切削用量的选择，尤其对切削速度的影响更为显著，下表为工件材料的可加工性与许用切削速度的关系。

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