碳钢车削加工指南

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碳钢是金属加工行业的 主力 材料，也是迄今为止切削加工最多的钢种。美国生产的钢约
有 87％都是碳钢。
    使用碳钢的可行性取决于其机械特性（如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、抗冲击性以及
所需要的热处理）是否适合制造某种零件。如果碳钢的特性可以满足零件的要求，大多数
用户都会选用碳钢，因为其价格比其它钢材更便宜。
    本文旨在帮助加工碳钢零件的用户了解各种碳钢牌号的成分，以提高车削加工效率；
同时还给出了与切深、进给率有关的切削速度参数和刀具材料与碳钢的硬度。
    早在 66 年前，金属切削领域的先驱 M.EugeneMerchant 和 HansErnst 博士就已经阐述了
切屑的形成、切屑与刀具间的摩擦、表面质量和金属去除效率。在研究中，Merchant 博士采
用了多种金属材料，其中就包括 1020 低碳钢和 1112 易切钢。基于大量的试验，Merchant 博
士建立了一个金属切削过程的数学模型并沿用至今，该模型可用于设计刀具的断屑器。
    将 AISI1212 易切削碳钢的平均可加工性设定为 100％，就可以用百分数来表示铁和非铁
合金材料的可加工性等级。以 AISI1045 中碳钢作为标准工件材料，在规定切削条件下进行
车削试验，即可确定各种牌号可转位刀片的使用寿命。
    碳钢分为 6 大类：低碳钢、中碳钢、高碳钢、再硫化易切钢、再硫化及再回磷易切钢和无硫
化高锰钢（含锰量超过 1％）。
    （1）低碳钢
    低碳钢（AISI1005～1026）的含碳量为 0.06％～0.28％，含锰量为 0.25％～1％，含磷量
不超过 0.04％，含硫量不超过 0.05％。目前低碳钢共有 16 个标准牌号。
    车削低碳钢时，如果刀具断屑器不能形成足够大的剪切角使切屑卷曲而脱离刀片前刀
面，就会产生长切屑，并在可转位刀片表面生成积屑瘤。低速切削则是产生积屑瘤的另一
个原因。积屑瘤会起到刀具延伸的作用，从而改变零件加工尺寸，并会使被加工表面光洁
度恶化。在这种情况下，需将切削速度提高 15％～20％或更高，直至加工表面质量获得改
善。
    合适的切削速度取决于切深、进给率、刀具材料和工件的硬度。选择切削速度是一项具有
挑战性的工作。通常，可根据加工精度要求（粗加工、半精加工或精加工）比较保守地预选
切深和进给率参数。加工低碳钢采用的切削速度略有不同，据此可分为两组。典型的低碳钢
粗加工、半精加工和精加工切削参数见表 1、表 2。（略）
    表中数据说明：切削速度随着切深和进给率的增大而减小。如果切深、进给率之一（或
二者）与表中数据不同，就需要调整切削速度，以使按表中切削参数计算出的金属切除率
（mrr）保持不变。计算实例如下。
    表 1 中第一行切削参数的金属切除率为：
    mrr＝12″×sfm×DOC×ipr＝12×550×0.300×0.020＝39.6in.3/min
    如切深减小至 0.200″，要使金属切除率保持不变，则切削速度必须等于 825sfm，即：
    sfm＝mrr÷DOC÷ipr÷12＝39.6÷0.200÷0.020÷12＝825sfm
    在本例中，切削速度随着切深的减小而按相同比例增大（ 0.300÷0.200＝1.5，550×1.5＝
825sfm）。
    （2）中碳钢
    中碳钢（AISI1029～1053）的含碳量为 0.25％～0.55％，含锰量为 0.30％～1.00％，含
磷量不超过 0.04％，含硫量不超过 0.05％。中碳钢有 16 个标准牌号，其切削参数见表 3。
（略）
    车削中碳钢时会产生不连续的切屑，被加工表面质量优于低碳钢，但切削力和刀具磨
损会随着含碳量和硬度的增加而加大。因此，当工件硬度增大时，应减小切削速度。