碳鋼車削加工指南

    碳鋼是金屬加工行業(yè)的“主力”材料，也是迄今為止切削加工最多的鋼種。美國生產(chǎn)的鋼約有87％都是碳鋼。
    使用碳鋼的可行性取決于其機(jī)械特性（如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗沖擊性以及所需要的熱處理）是否適合制造某種零件。如果碳鋼的特性可以滿足零件的要求，大多數(shù)用戶都會選用碳鋼，因?yàn)槠鋬r格比其它鋼材更便宜。
    本文旨在幫助加工碳鋼零件的用戶了解各種碳鋼牌號的成分，以提高車削加工效率；同時還給出了與切深、進(jìn)給率有關(guān)的切削速度參數(shù)和刀具材料與碳鋼的硬度。
    早在66年前，金屬切削領(lǐng)域的先驅(qū)M.EugeneMerchant和HansErnst博士就已經(jīng)闡述了切屑的形成、切屑與刀具間的摩擦、表面質(zhì)量和金屬去除效率。在研究中，Merchant博士采用了多種金屬材料，其中就包括1020低碳鋼和1112易切鋼�；�于大量的試驗(yàn)，Merchant博士建立了一個金屬切削過程的數(shù)學(xué)模型并沿用至今，該模型可用于設(shè)計刀具的斷屑器。
    將AISI1212易切削碳鋼的平均可加工性設(shè)定為100％，就可以用百分?jǐn)?shù)來表示鐵和非鐵合金材料的可加工性等級。以AISI1045中碳鋼作為標(biāo)準(zhǔn)工件材料，在規(guī)定切削條件下進(jìn)行車削試驗(yàn)，即可確定各種牌號可轉(zhuǎn)位刀片的使用壽命。
    碳鋼分為6大類：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、再硫化易切鋼、再硫化及再回磷易切鋼和無硫化高錳鋼（含錳量超過1％）。
（1）低碳鋼
    低碳鋼（AISI1005～1026）的含碳量為0.06％～0.28％，含錳量為0.25％～1％，含磷量不超過0.04％，含硫量不超過0.05％。目前低碳鋼共有16個標(biāo)準(zhǔn)牌號。
    車削低碳鋼時，如果刀具斷屑器不能形成足夠大的剪切角使切屑卷曲而脫離刀片前刀面，就會產(chǎn)生長切屑，并在可轉(zhuǎn)位刀片表面生成積屑瘤。低速切削則是產(chǎn)生積屑瘤的另一個原因。積屑瘤會起到刀具延伸的作用，從而改變零件加工尺寸，并會使被加工表面光潔度惡化。在這種情況下，需將切削速度提高15％～20％或更高，直至加工表面質(zhì)量獲得改善。
    合適的切削速度取決于切深、進(jìn)給率、刀具材料和工件的硬度。選擇切削速度是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。通常，可根據(jù)加工精度要求（粗加工、半精加工或精加工）比較保守地預(yù)選切深和進(jìn)給率參數(shù)。加工低碳鋼采用的切削速度略有不同，據(jù)此可分為兩組。典型的低碳鋼粗加工、半精加工和精加工切削參數(shù)見表1、表2。（略）
    表中數(shù)據(jù)說明：切削速度隨著切深和進(jìn)給率的增大而減小。如果切深、進(jìn)給率之一（或二者）與表中數(shù)據(jù)不同，就需要調(diào)整切削速度，以使按表中切削參數(shù)計算出的金屬切除率（mrr）保持不變。計算實(shí)例如下。
表1中第一行切削參數(shù)的金屬切除率為：
mrr＝12″×sfm×DOC×ipr＝12×550×0.300×0.020＝39.6in.3/min
如切深減小至0.200″，要使金屬切除率保持不變，則切削速度必須等于825sfm，即：
sfm＝mrr÷DOC÷ipr÷12＝39.6÷0.200÷0.020÷12＝825sfm
在本例中，切削速度隨著切深的減小而按相同比例增大（0.300÷0.200＝1.5，550×1.5＝825sfm）。
（2）中碳鋼
    中碳鋼（AISI1029～1053）的含碳量為0.25％～0.55％，含錳量為0.30％～1.00％，含磷量不超過0.04％，含硫量不超過0.05％。中碳鋼有16個標(biāo)準(zhǔn)牌號，其切削參數(shù)見表3。（略）
    車削中碳鋼時會產(chǎn)生不連續(xù)的切屑，被加工表面質(zhì)量優(yōu)于低碳鋼，但切削力和刀具磨損會隨著含碳量和硬度的增加而加大。因此，當(dāng)工件硬度增大時，應(yīng)減小切削速度。
（3）高碳鋼
    高碳鋼（AISI1055～1095）的含碳量為0.60％～1.03％，含錳量為0.30％～0.90％，含磷量不超過0.04％，含硫量不超過0.05％。高碳鋼有14個標(biāo)準(zhǔn)牌號，其切削參數(shù)見表4。（略）
    車削高碳鋼時，因含碳量較高，切削力和刀具磨損比車削中碳鋼時要大。因此應(yīng)采用較低的切削速度以減小刀具磨損。與加工低、中碳鋼時類似，對不同硬度的工件應(yīng)采用相應(yīng)的切削速度。
（4）易切鋼
   易切鋼分為再硫化易切鋼（11XX系列）和再硫化、再回磷易切鋼（12XX系列）。
    再硫化易切鋼（AISI1108～1151）包括14個標(biāo)準(zhǔn)牌號。含硫量達(dá)到0.33％時可改善材料的可加工性（AISI1119和AISI1144）。大部分11XX系列牌號都將含錳量由1.30％提高到1.65％，以便有足夠的錳與硫反應(yīng)生成MnS顆粒。由于MnS顆粒在切屑成形過程中會形成一些微孔和微裂紋，而這些微觀缺陷擴(kuò)散到工件的切除層中，加大了切屑的剪切角，加速了切屑斷裂過程，從而可獲得良好的加工表面。
    再硫化、再回磷易切鋼包括4種無鉛標(biāo)準(zhǔn)牌號（AISI1211、1212、1213和1215）和3種含鉛標(biāo)準(zhǔn)牌號（AISI12L13、12L14和12L15），含鉛量為0.15％～0.35％。12XX系列牌號增加了含硫量（0.10％～0.35％）和含磷量（0.04％～0.12％）。增加含硫量的效果與AISI11XX牌號的情況類似
    增加磷含量后，磷溶解于鐵可促進(jìn)斷屑，有利于避免形成長的卷須狀切屑，可獲得較好的加工表面光潔度。
    在車削加工中，鉛在12XX系列牌號中的作用類似于一種內(nèi)潤滑劑，可以降低刀具與工件間的摩擦，減少發(fā)熱。含鉛牌號主要用于大批量加工。使用含鉛牌號可提高切削速度，獲得良好的加工表面，加工效率可提高25％以上。
    再硫化、再回磷易切鋼廣泛用于加工螺紋制品。由于經(jīng)濟(jì)性的原因，限制了含鉛易切鋼在螺紋高速加工中的應(yīng)用，但其出色的加工特性在螺紋高速加工中可以得到充分的體現(xiàn)。
    在所有易切鋼中，12LXX牌號最適于高速車削，其切削參數(shù)見表5（略）。車削易切鋼時產(chǎn)生不連續(xù)切屑，因此不存在切屑控制問題。
（5）高錳鋼
    高錳鋼的含錳量為0.75％～1.65％，含碳量為0.10％～0.71％，磷和硫的含量與低、中、高碳鋼相同，共有12個標(biāo)準(zhǔn)牌號。大部分牌號含有0.0005％～0.30％的硼，加入硼可提高淬硬層的厚度。
   15XX系列低碳高錳鋼（AISI1513～1527）主要用于加工對表面淬硬性要求高于普通碳鋼的滲碳零件。
    中碳高錳鋼（含碳量0.30％～0.35％）一般用于棒料加工的零件，是否需要熱處理取決于應(yīng)用場合和所需要的強(qiáng)度。
    高碳高錳鋼（AISI1547～1566）比普通碳鋼牌號有更高的強(qiáng)度和耐磨性。
    含硼高錳鋼（如AISI15B48H）一般用于軸類制品。這種鋼可替代合金鋼和高碳鋼制造需要熱處理的螺釘，其切削參數(shù)見表6。（略）
車削高錳鋼類似于車削10XX系列中碳鋼。
刀具材料牌號說明
    刀具材料的技術(shù)規(guī)范來源于ANSI（美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會）和ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）。ANSI采用的是行業(yè)代碼，可以標(biāo)示出未涂層硬質(zhì)合金牌號（C-1、C-2等）和涂層硬質(zhì)合金牌號（CC-5、CC-6等）。代碼的數(shù)字部分僅僅給出了硬質(zhì)合金的基本特性，如韌性和硬度。C-1～C-4牌號都是采用鈷結(jié)合劑的純碳化鎢，但鈷含量和碳化鎢粒度有所不同。
    CC-5～CC-8牌號包括了采用鈷結(jié)合劑的復(fù)合碳化鎢、碳化鉭、碳化鈦和碳化鈮。這些牌號與C-1～C-4相比具有更好的抗月牙洼磨損性能，因此推薦用于加工鋼件。從CC-5到CC-8牌號，材料的硬度依次增大，而韌性依次減小。
    CC-6牌號是通用硬質(zhì)合金材料，具有中～高水平的抗沖擊性和中等水平的抗磨損性，推薦用于粗加工和半精加工。CC-7牌號具有中等水平的抗沖擊性和抗磨損性，適用于精加工。牌號數(shù)字較大的硬質(zhì)合金的抗磨損性較好，可采用較高切削速度。牌號數(shù)字較小的硬質(zhì)合金的韌性較好，可采用較大進(jìn)給量。
    ISO標(biāo)準(zhǔn)代碼由字母和兩位數(shù)字組成。字母C表示涂層硬質(zhì)合金，后面的字母P表示該牌號適合加工碳鋼。CP-10牌號表示適用于高速切削，切屑橫截面小～中；CP-20表示適用于中速切削，切屑橫截面中等；CP-30表示適用于中～低速切削，切屑橫截面中～大。牌號的數(shù)字越大，表示該硬質(zhì)合金韌性越大、硬度越小。牌號數(shù)字較小的硬質(zhì)合金具有較好的抗磨損性，可提高切削速度；牌號數(shù)字較大的硬質(zhì)合金韌性好，可增大進(jìn)給量。
    需要說明的是，不同生產(chǎn)廠商專門命名的硬質(zhì)合金牌號與ANSI和ISO代碼不一定相同。
    前面表中給出的切削速度只是起始推薦值，因?yàn)殡S著新的機(jī)床和涂層硬質(zhì)合金刀具的采用，切削速度可以提高15％～30％，但這樣做必須考慮機(jī)床功率。
    涂層硬質(zhì)合金刀具不僅使用壽命長，而且還可進(jìn)行高速切削以提高加工效率。切削速度提高30％，加工成本可降低15％。
    在各種涂層材料中，采用PVD工藝的TiAlN涂層最為常用，一般用于干式高速精加工和普通加工中。采用CVD工藝的3層涂層（外層為TiN，中間層為Al2O3，內(nèi)層為TiCN）一般用于粗加工和半精加工。
    雖然碳鋼的車削加工并不復(fù)雜，但零件制造商需要了解碳鋼的牌號和材料特性，通過合理選擇刀具、車床（或車削中心）和工件夾緊裝置，就能大大提高加工效率。