碳钢车削加工指南

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1、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. Eugene Merchant 和 Hans Ernst 博士就已经阐述了切屑的形成、切屑与刀 具间的

2、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 AISI 1212 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 AISI 1045 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

3、1%)。 1. 低碳钢低碳钢 低碳钢(AISI 10051026)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

4、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。 表表 1 AISI1015、1020、1023、1025 和和 1026 牌号的牌号的 切削参数切削参数 工件工件 硬度硬度 HB 切削深度切削深度 ap mm (英寸英寸) 进给率进给率 f mm/r (ipr) 切削速度切削速度 Vc m/min (sfm) 刀具材料刀具材料 ISO* (ANSI)* 7.50 (0.30) 0.50 (0.02) 170 (5

5、50) CP30 (CC-6) 3.80 (0.15) 0.38 (0.015) 215 (700) CP20 (CC-6) 85125 1.00 (0.04) 0.18 (0.007) 320 (1050) CP10 (CP-7) 7.50 (0.30) 0.50 (0.02) 150 (500) CP30 (CC-6)125 175 3.80 (0.15) 0.38 (0.015) 190 (625) CP20 (CC-6) 表表 2 AISI10161019、1021 和和 1022 牌号的切牌号的切 削参数削参数 工件工件 硬度硬度 HB 切削深度切削深度 ap mm (英寸英寸) 进

6、给率进给率f mm/r (ipr) 切削速度切削速度 Vc m/min (sfm) 刀具材刀具材 料料 ISO* (ANSI)* 7.50 (0.30) 0.50 (0.02) 160 (525) CP30 (CC-6) 3.80 (0.15) 0.38 (0.015) 205 (675) CP20 (CC-6) 85125 1.00 (0.04) 0.18 (0.007) 310 (1025) CP10 (CP-7) 7.50 (0.30) 0.50 (0.02) 150 (500) CP30 (CC-6)125 175 3.80 (0.15) 0.38 (0.015) 190 (625)

7、CP20 (CC-6) 1.00 (0.04) 0.18 (0.007) 290 (950) CP10 (CP-7) 7.50 (0.30) 0.50 (0.02) 135 (450) CP30 (CC-6) 3.80 (0.15) 0.38 (0.015) 170 (550) CP20 (CC-6) 175 225 1.00 (0.04) 0.18 (0.007) 260 (850) CP10 (CP-7) *ISO国际标准化组织，使用公制单位 *ANSI美国国家标准学会，使用英制单位 1.00 (0.04) 0.18 (0.007) 290 (950) CP10 (CP-7) 7.50 (

8、0.30) 0.50 (0.02) 135 (450) CP30 (CC-6) 3.80 (0.15) 0.38 (0.015) 170 (550) CP20 (CC-6) 175 225 1.00 (0.04) 0.18 (0.007) 260 (850) CP10 (CP-7) *ISO国际标准化组织，使用公制单位 *ANSI美国国家标准学会，使用英制单位 表 16 资料来源于加工数据手册 (第 3 版第 1 卷)和钢材的工程特性。刀具材料指涂层硬质合金。 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

9、参数计算出的金属切除率(MRR, Metal Remove Rate)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=Vc*1000apf=17010007.50.50=637500mm3/min (原文相应的英制计算为：MRR12“sfmapipr125500.3000.02039.6in.3/min。因切削技术网 站在切削速度换算时进行了圆整，两者计算结果38.9in3/min有差异，下同。) 如切深减小至 5mm(0.200“)，要使金属切除率保持不变，则切削速度必须等于 255m/min(合 835sfm)，即： Vc=MRRapf1000=63750050

10、.51000=255m/min (原文相应的英制计算为：sfmmrrDOCipr1239.60.2000.02012825sfm) 在本例中，切削速度随着切深的减小而按相同比例增大7.55=1.5，1701.5=255(原文为0.3000.2001.5，5501.58 25sfm)。 2. 中碳钢中碳钢 中碳钢(AISI 10291053)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。 表表 4 高碳钢的切削参数高碳钢的切削参数 工件工件 硬度硬度 HB 切削深度切削深度

11、 ap mm (英寸英寸) 进进f 给率给率 mm/r (ipr) 切削速度切削速度 Vc m/min (sfm) 刀具材刀具材 料料 ISO* (*ANSI)* 7.50 (0.30) 0.50 (0.02) 122 (400) CP30 (CC-6) 3.80 (0.15) 0.38 (0.015) 150 (500) CP20 (CC-6) 175 225 1.00 (0.04) 0.18 ( 0.007) 230 (750) CP10 (CP-7) 7.50 (0.30) 0.50 (0.02) 115 (375) CP30 (CC-6)225 275 3.80 (0.15) 0.38

12、 (0.015) 145 (475) CP20 (CC-6) 1.00 (0.04) 0.18 (0.007) 215 (700) CP10 (CP-7) 7.50 (0.30) 0.50 (0.02) 105 (350) CP30 (CC-6) 3.80 (0.15) 0.38 (0.015) 135 (450) CP20 (CC-6) 275 325 1.00 (0.04) 0.18 (0.007) 205 (675) CP10 (CP-7) 7.50 (0.30) 0.50 (0.02) 90 (300) CP30 (CC-6) 3.80 (0.15) 0.38 (0.015) 115

13、(375) CP20 (CC-6) 325 375 1.00 (0.04) 0.18 (0.007) 165 (550) CP10 (CP-7) 表表 3 中碳钢的切削参数中碳钢的切削参数 工件工件 硬度硬度 HB 切削切削 深度深度 ap mm (英寸英寸) 进给率进给率 f mm/r (ipr) 切削切削 速度速度 Vc m/min (sfm) 刀具材料刀具材料 ISO* (ANSI)* 7.50 (0.30) 0.50 (0.02) 145 (475) CP30 (CC-6) 3.80 (0.15) 0.38 (0.015) 185 (600) CP20 (CC-6) 125175 1.

14、00 (0.04) 0.18 (0.007) 280 (825) CP10 (CP-7) 7.50 (0.30) 0.50 (0.02) 125 (415) CP30 (CC-6) 3.80 (0.15) 0.38 (0.015) 160 (525) CP20 (CC-6) 175225 1.00 (0.04) 0.18 (0.007) 240 (785) CP10 (CP-7) 7.50 (0.30) 0.50 (0.02) 120 (400) CP30 (CC-6) 3.80 (0.15) 0.38 (0.015) 155 (500) CP20 (CC-6) 225275 1.00 (0.

15、04) 0.18 (0.007) 230 (750) CP10 (CP-7) *ISO国际标准化组织，使用公制单位 *ANSI美国国家标准学会，使用英制单位 *ISO国际标准化组织，使用公制单位 *ANSI美国国家标准学会，使用英制单位 1. 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。 2. 高碳钢高碳钢 高碳钢(AISI 10551095)的含碳量为 0.60%1.03%，含锰量为 0.30%0.90%，含磷量不超过 0.04%，含硫量不超 过 0.05%。高碳钢有 14 个标准牌

16、号，其切削参数见表 4。 车削高碳钢时，因含碳量较高，切削力和刀具磨损比车削中碳钢时要大。因此应采用较低的切削速度以减小刀具磨 损。与加工低、中碳钢时类似，对不同硬度的工件应采用相应的切削速度。 3. 易切钢易切钢 易切钢分为再硫化易切钢(11XX 系列)和再硫化、再回磷易切钢(12XX 系列)。 再硫化易切钢(AISI 11081151)包括 14 个标准牌号。 含硫量达到 0.33%时可改善材料的可加工性(AISI 1119 和 AI SI 1144)。大部分 11XX 系列牌号都将含锰量由 1.30%提高到 1.65%，以便有足够的锰与硫反应生成 MnS 颗粒。由 于 MnS 颗粒在切屑成形过程中会形成一些微孔和微裂纹，而这些微观缺陷扩散到工件的切除层中，加大了切屑的 剪切角，加速了切屑断裂过程，从而可获得良好的加工表面。 再硫化、再回磷易切钢包